Презентация Электростатическое поле в проводниках. Тема 4 онлайн

Содержание слайда: Омский государственный технический университет Кафедра физики Калистратова Л.Ф. Электронные лекции по разделам электромагнетизма (электростатика, постоянный ток, магнетизм) 17 лекций (34 аудиторных часа)

Содержание слайда: Тема 4. Электростатическое поле в проводниках План лекции 1. Распределение внешнего заряда на проводнике. 2. Проводник во внешнем электростатическом поле. 3. Электроёмкость проводников и конденсаторов. 4. Соединение конденсаторов в батарею.

Содержание слайда: 4.1. Распределение внешнего заряда на проводнике Все вещества природы по способности проводить электрический ток делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. Проводники в обычных условиях очень хорошо проводят электрический ток. К ним относятся металлы, электролиты, расплавы, ионизированные газы, плазма и т. д. Полупроводники в обычных условиях не проводят электрический ток, но их проводимость начинает возрастать при нагревании или внесении примесей.

Содержание слайда: К ним относятся элементы IV группы периодической таблицы элементов: кремний, германий, арсенид галлия и многие химические соединения. К ним относятся элементы IV группы периодической таблицы элементов: кремний, германий, арсенид галлия и многие химические соединения. Диэлектрики ни при каких условиях не проводят электрический ток. К ним относятся газы при обычных условиях, многие чистые жидкости, слюда, фарфор, мрамор и др. При очень больших напряжениях может наступить пробой диэлектрика. Пробой воздуха в виде молнии наступает при напряжённости электрического поля 120 В/см.

Содержание слайда: Проводники по своему внутреннему строению имеют кристаллическую решётку, в узлах которой находятся положительные атомные остатки атомов, и электронный газ с очень высокой концентрацией свободных электронов: Проводники по своему внутреннему строению имеют кристаллическую решётку, в узлах которой находятся положительные атомные остатки атомов, и электронный газ с очень высокой концентрацией свободных электронов: n1020-1023 электронов/см3. Проводник – электрически нейтрален, т.к. отрицательный заряд свободных электронов равен положительному заряду решётки. Внесём на проводник внешний заряд величиной q.

Содержание слайда: 1. Внешний заряд равномерно распределяется по поверхности проводника. 1. Внешний заряд равномерно распределяется по поверхности проводника. 2. Условие равновесия зарядов требует, чтобы напряженность электрического поля внутри проводника была равна нулю (Е = 0).

Содержание слайда: 3. Поскольку , а напряжённость Е = 0, то 3. Поскольку , а напряжённость Е = 0, то Потенциал во всех точках проводника и на его поверхности одинаков:  = const. 4. Заряженное металлическое тело является эквипотенциальной областью. 5. Заряженный проводник – источник электрического поля.

Содержание слайда: 6. Силовые линии внешнего поля, сосредоточенного вокруг проводника, перпендикулярны к его поверхности. 6. Силовые линии внешнего поля, сосредоточенного вокруг проводника, перпендикулярны к его поверхности. 7. Напряженность внешнего поля Е вблизи поверхности проводника вычисляется на основе применения теоремы Гаусса.

Содержание слайда: Пусть  - поверхностная плотность заряда на поверхности проводника. Пусть  - поверхностная плотность заряда на поверхности проводника. Гауссову поверхность выберем цилиндрической формы.

Содержание слайда: Поток вектора напряжённости через цилиндрическую замкнутую поверхность найдем как сумму потоков через ее боковую поверхность, нижнее и верхнее основания: Поток вектора напряжённости через цилиндрическую замкнутую поверхность найдем как сумму потоков через ее боковую поверхность, нижнее и верхнее основания: Нормаль к основанию параллельна силовым линиям , поэтому Еn = Е, где Еn – проекция вектора на нормаль к основанию цилиндрической поверхности. В пределах основания цилиндра поле считаем однородным.

Содержание слайда: Отличным от нуля является только интеграл по верхнему основанию. Отличным от нуля является только интеграл по верхнему основанию. Действительно: - интеграл по боковой поверхности равен нулю, так как силовые линии электрического поля её не пересекают; - интеграл по нижнему основанию также равен нулю, потому что поле внутри проводника отсутствует (Е = 0).

Содержание слайда: Заряд, находящийся внутри цилиндрической поверхности, расположен на поверхности проводника и равен: Заряд, находящийся внутри цилиндрической поверхности, расположен на поверхности проводника и равен: По теореме Гаусса имеем равенство: Тогда: 8. Напряжённость поля у поверхности заряженного проводника пропорциональна поверхностной плотности заряда.

Содержание слайда: Величина поверхностной плотности заряда  определяется радиусом кривизны поверхности R: чем меньше R, тем больше , тем больше Е.

Содержание слайда: На острых выступах проводника могут скапливаться большие по величине заряды, которые создают сильное электрическое поле. На острых выступах проводника могут скапливаться большие по величине заряды, которые создают сильное электрическое поле. Это электрическое поле ионизирует воздух. Образующиеся ионы воздуха приходят в движение. Ионы того же знака, что и заряд острия, перемещаются от острия, увлекая с собой нейтральные молекулы воздуха – образуется так называемый электрический ветер.

Содержание слайда: Процесс ионизации воздуха у заряженного проводника

Содержание слайда: Ионы противоположенного знака идут к острию, частично нейтрализуя его заряд и ослабляя поле. Ионы противоположенного знака идут к острию, частично нейтрализуя его заряд и ослабляя поле. На этом явлении основано действие молниеотвода. Процесс ионизации воздуха сопровождается его свечением (огни святого Эльма вокруг мачт на кораблях).

Содержание слайда: 9. Наличие в проводнике внутренних полостей не влияет на характер распределения зарядов, так как избыточные заряды располагаются только по внешней поверхности проводника. 9. Наличие в проводнике внутренних полостей не влияет на характер распределения зарядов, так как избыточные заряды располагаются только по внешней поверхности проводника. Равновесное распределение зарядов на сплошном проводнике такое же, как и на полом, при условии одинаковости их внешней формы.

Содержание слайда: 2. Проводник во внешнем электрическом поле Внесём нейтральный проводник в однородное электрическое поле напряженностью . Электроны проводника придут в направленное движение против силовых линий внешнего поля и соберутся на одном из его концов.

Содержание слайда: Другой конец проводника заряжается при этом положительно, так как количество электронов здесь уменьшится. Другой конец проводника заряжается при этом положительно, так как количество электронов здесь уменьшится. Электростатическая индукция - явление перераспределения зарядов внутри проводника под действием внешнего электрического поля. 1. Внешнее электрическое поле разделяет заряды самого проводника. Процесс разделения зарядов наблюдается при любых напряженностях внешнего поля.

Содержание слайда: Индуцированными называются избыточные заряды, скопившиеся на разных концах проводника. Индуцированными называются избыточные заряды, скопившиеся на разных концах проводника. Индуцированные заряды создают внутри проводника собственное поле напряжённостью , противоположно направленное внешнему полю ЕО. При условии Е' = Е0 процесс перераспределения зарядов прекратится. 2. Суммарная напряженность поля внутри проводника равна нулю: Е = 0.

Содержание слайда: Действительно, напряжённости названных полей одинаковы и направлены в разные стороны. Действительно, напряжённости названных полей одинаковы и направлены в разные стороны. По принципу суперпозиции: 3. Проводник уничтожает внешнее поле там, где он находится. 4. Поверхность проводника и все его точки являются эквипотенциальной областью. 5. Проводник искажает внешнее поле вокруг себя.

Содержание слайда:

Содержание слайда: Силовые линии внешнего поля заканчиваются на отрицательных индуцированных зарядах проводника, и вновь начинаются на индуцированных положительных зарядах, входя и выходя в его поверхность перпендикулярно. Силовые линии внешнего поля заканчиваются на отрицательных индуцированных зарядах проводника, и вновь начинаются на индуцированных положительных зарядах, входя и выходя в его поверхность перпендикулярно. Проводник, внесенный в электрическое поле, разрывает часть линий напряженности внешнего поля. 6. Если из сплошного проводника изъять внутреннюю часть вещества, равновесие индуцированных зарядов не нарушается.

Содержание слайда: Полый проводник во внешнем поле Полый проводник во внешнем поле

Содержание слайда: Электрическое поле внутри проводника отсутствует независимо от того, сплошной проводник или полый, так как индуцированные заряды располагаются только на внешней поверхности проводника. Электрическое поле внутри проводника отсутствует независимо от того, сплошной проводник или полый, так как индуцированные заряды располагаются только на внешней поверхности проводника. На этом основана электростатическая защита. Когда какой-то прибор необходимо защитить от действия внешних электрических полей, его окружают проводящим экраном. Внешнее поле компенсируется внутри экрана возникающими на его поверхности индуцированными зарядами.

Содержание слайда: Метод защиты от электрических полей Метод защиты от электрических полей Помещают исследуемую систему с приборами внутри металлической сетки и этим экранируют ее от действия внешних электрических полей.

Содержание слайда: Свойства индуцированных зарядов 1. Индуцированные заряды можно разделять по знаку в присутствии внешнего заряда.

Содержание слайда: 3. Электроемкость проводников и конденсаторов Если на незаряженный проводник внести заряд q, то проводник заряжается и его потенциал становится равным .

Содержание слайда: Величиной, определяющей функциональную зависимость между зарядом проводника и его потенциалом, является электроёмкость С. Величиной, определяющей функциональную зависимость между зарядом проводника и его потенциалом, является электроёмкость С. Для электроёмкости можно записать ряд формул, из которых следует физический смысл этой величины: Электроемкость численно равна заряду, который изменяет потенциал проводника на единицу.

Содержание слайда: Электроёмкость: Электроёмкость: - измеряется в фарадах: [C] = 1 Ф (Ф = Кл/В); - характеристика самого проводника; - не зависит ни от его заряда, ни от потенциала; - определяется формой, размерами проводника; зависит от диэлектрических свойств окружающей среды ( ). Электроемкость: шара плоского конденсатора

Содержание слайда: Электроёмкость шара Электроёмкость шара Потенциал шара радиусом R определяется по формуле потенциала точечного заряда: Тогда:

Содержание слайда: Электроёмкость плоского конденсатора Электроёмкость плоского конденсатора Для плоского конденсатора с диэлектриком ( ) Напряженность однородного поля в диэлектрике конденсатора E определяется поверхностной плотностью заряда  на его пластинах площадью S. Электроёмкость где d – расстояние между пластинами.

Содержание слайда: Электроёмкость Электроёмкость сферического конденсатора:

Содержание слайда: Соединение конденсаторов в батарею Соединение конденсаторов в батарею Батарея конденсаторов – несколько соединенных друг с другом конденсаторов. Заряд батареи – заряд, который проходит по проводнику, соединяющему положительный и отрицательный полюсы батареи. Электроёмкость батареи – величина, численно равная отношению заряда батареи к абсолютной величине разности потенциалов, между полюсами батареи.

Содержание слайда: Последовательное соединение двух конденсаторов Последовательное соединение двух конденсаторов

Содержание слайда: При последовательном включении все конденсаторы имеют одинаковый заряд. При последовательном включении все конденсаторы имеют одинаковый заряд. U = U1+ U2+ U3+…

Содержание слайда: Параллельное соединение двух конденсаторов Параллельное соединение двух конденсаторов

Содержание слайда: Конденсаторы находятся под одним напряжением: U12 = U1= U2 = U3 Заряд qi на каждом конденсаторе будет разным, причём, по закону сохранения заряда: q = q1+ q2 + q3 +  . Общая электроёмкость батареи параллельно соединенных конденсаторов С = С1 + С2 + С3 .