Діелектрики
Діелектриками називають матеріали, що не проводять електричний струм. Гнучкі діелектрики використовують для ізоляції проводів. Крім того, багато діелектрики послаблюють електричне поле. Розглянемо це явище. Оскільки кулонівську силу вимірювати не просто, ми будемо вимірювати напругу на конденсаторі. Найпростіший конденсатор містить пару паралельних металевих пластин з проводами для з’єднання з джерелом поля.
Пластини називають обкладками конденсатора.
З’єднаємо обкладки конденсатора з полюсами генератора. Після включення генератор почне витягати своїм полем електрони з однієї обкладки конденсатора і направляти їх в іншу. Виникне зарядний струм, а між обкладинками з’явиться напруга U, пропорційне заряду електронів Q, що накопичилися на негативній обкладанні. Можна написати: Q = C * U (33.1), де С – коефіцієнт пропорційності. Коли U зрівняється з е. р. с. генератора, зарядний струм припиниться, оскільки потенціал на негативній обкладанні стане рівним потенціалу на негативному полюсі генератора. Це відбудеться досить швидко, враховуючи рухливість електронів.
Якщо генератор відключити, в конденсаторі залишиться заряд, величина якого залежить від площі S обкладок і відстані d між ними. Перепишемо (33.1) у вигляді: C = Q / U (33.2). Звідси випливає, що коефіцієнт C чисельно дорівнює заряду, який може прийняти даний конденсатор при напрузі між обкладинками, рівному 1 В. Параметр C називається ємністю конденсатора. Вимірюється ємність у Фарада (ф). Одна Фарада дорівнює кулона на вольт. Це велика ємність. На практиці ємність конденсаторів вимірюють у мікрофарадах (мкф), нанофарадах (нф) і навіть в пікофарад (пФ).
Розглянемо структуру електричного поля між обкладинками сухого конденсатора. У процесі зарядки електрони витісняються полем генератора на поверхню однієї обкладки, де вони рівномірно розподіляються по всій її площі. Сумарному заряду Q електронів на даній обкладанні відповідає рівний по величині заряд протонів на інший обкладанні. Між цими зарядами виникають кулонівських сили тяжіння. Зауважимо, що обкладки не можна вважати точковими зарядами, так як зазор d набагато менше довжини і ширини обкладання. Із ситуації можна вийти, якщо ввести поняття поверхневої густини заряду (σ): σ = Q / S. Площа обкладки розбивають на безліч малих майданчиків s, заряд Q розподіляють у вигляді елементарних зарядів q по майданчиках s. Тоді для будь-якого зазору d можна вибрати таку малу площадку, що заряд на ній буде точковим. Якщо кожен точковий заряд на позитивній обкладанні з’єднати умовною лінією з точковим зарядом на негативній обкладанні навпаки, вийде безліч ліній, уздовж яких спрямовані кулонівських сили. Очевидно, це будуть однакові паралельні відрізки на рівних відстанях між ними. Це означає, що електричне поле всередині конденсатора усюди має однакову величину і напрям. Таке поле називають однорідним. Сила однорідного поля однакова за величиною і напрямком в будь-якій точці між обкладинками.
Уявімо, що елементарний заряд q перемістився від однієї обкладинки до іншої. При цьому електричне поле конденсатора справило механічну роботу A = Fd, де F – кулонівська сила. Згідно (26.4), електрична енергія заряду змінилася на величину Uq, де U – напруга між обкладками. Значить, можна написати: Fd = Uq (33.3). Перепишемо (33.3) у вигляді: F / q = U / d (33.4). Величину F / q, рівну KQ / r2, прийнято називати напруженістю електричного поля або просто полем Е: E = U / d (33.5). Це рівняння виражає поле всередині конденсатора через різницю потенціалів на обкладках. Поля інших тіл, наприклад, проводи або пластини, можна обчислити за допомогою теореми Гаусса.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)