Энергия электрического поля

Емкость – основное свойство конденсатора

Прежде чем рассматривать энергию конденсатора, следует остановиться на его основном свойстве – емкости. Когда двум проводникам, изолированным один от другого, сообщаются заряды q1 и q2, между ними наблюдается появление определенной разности потенциалов Δφ. Данная разность полностью зависит от величины зарядов и геометрической конфигурации проводников. Эта величина, возникающая в электрическом поле между двумя точками, известна также, как напряжение, обозначаемое символом U.

Наибольшее практическое значение имеют заряды проводников с одинаковым модулем и противоположными знаками: q1 = – q2 = q. С их помощью выводится такое понятие, как электрическая емкость системы, состоящей из двух проводников. Данная категория представляет собой физическую величину, в которой заряд q какого-либо проводника, соотносится с разностью потенциалов Δφ. В виде формулы это будет выглядеть следующим образом: Системой СИ в качестве единицы электроемкости установлен фарад, который равен: 1Ф = 1Кл/1В

Электроемкость может иметь разную величину, в зависимости от форм и размеров проводников, а также от свойств диэлектрика, разделяющего эти проводники. Изменение значения емкости позволяет определить, как изменится энергия электрического поля конденсатора при использовании некоторых конфигураций проводников возникает электрическое поле, сосредоточенное лишь на определенном участке. Подобные системы получили название конденсаторов, в которых функцию обкладок выполняют проводники.

Конструкция простейшего конденсатора включает в себя две плоские проводящие пластины, расположенные параллельно между собой на расстоянии, меньшем, чем толщина самих пластин. Обе пластины разделяет слой диэлектрика. Такая система получила название плоского конденсатора. Его электрическое поле локализуется преимущественно между пластинами. Кроме того, слабое поле возникает около краев пластин, а также в окружающем их пространстве. Оно называется полем рассеяния, которое не оказывает существенного влияния на многие решаемые задачи. Поэтому в большинстве случаев учитывается только электрическое поле, сосредоточенное только между обкладками конденсатора.

Модуль напряженности электрического поля, создаваемого заряженными пластинами плоского конденсатора, представляет собой соотношение: Е1 = Ϭ/2ε0. Соответственно, сумма напряженности каждой пластины, равна общей напряженности поля. Положительные и отрицательные векторы напряженности, расположены параллельно внутри конденсатора, поэтому напряженность суммарного поля будет равна: Е = 2Е1 = Ϭ/ε0. Вне пластин положительный и отрицательный векторы оказываются направленными в разные стороны, в связи с чем Е = 0.

Заряд пластин обладает поверхностной плотностью Ϭ, равной q/S. В данной формуле q является величиной заряда, а S – площадью пластин. Разность потенциалов (Δφ) однородного электрического поля будет равна Ed, где величина d является расстоянием между пластинами. После соединения всех этих соотношений, получается формула, определяющая электрическую емкость плоского конденсатора:

Из этой формулы видно, что между электроемкостью плоского конденсатора и площадью обкладок существует прямая пропорция, и обратная пропорция с расстоянием между этими обкладками.

Энергия электрического поля

Как показывает практика, все заряженные конденсаторы обладают определенным запасом энергии. Данная величина является равной работе внешних сил, затрачиваемой для зарядки конденсатора. Непосредственная зарядка конденсатора происходит в виде последовательного переноса зарядов небольшими порциями с одной пластины на другую. В это время осуществляется постепенная зарядка одной обкладки положительным зарядом, а другой – отрицательным.

Перенос каждой порции выполняется при наличии на обкладках некоторого заряда q. Между обкладками имеется определенная разность потенциалов. В связи с этим, в процессе переноса каждой порции заряда, внешними силами совершается работа: ΔА = UΔq = qΔq/C.

Существует максимальная энергия электрического поля конденсатора, формула которой отображается таким образом: We = A = Q2/2C, где We – энергия конденсатора, А – работа, C и Q – соответственно емкость и заряд конденсатора. Если использовать соотношение Q = CU, то формула энергии заряженного конденсатора может быть выражена в другой форме: We = Q2/2C = CU2 = QU/2

Электрическая энергия We по своим физическим качествам аналогична потенциальной энергии, накопленной в заряженном конденсаторе. Как уже отмечалось, локализация электрической энергии конденсатора осуществляется между его обкладками, то есть в электрическом поле. Поэтому она получила название энергия электрического поля конденсатора, формула которой выводится из нескольких понятий и определений.

Если в качестве примера взять плоский заряженный конденсатор, то напряженность его однородного поля составит E = U/d, а его емкость будет равна С = ε0 εS/d. В результате, энергия электрического поля будет выражена в следующем виде: We = CU2/2 = ε0 εSЕ2d2/2d = (ε0 εЕ2/2) x V. В этой формуле V является пространственным объемом между обкладками, заполненным электрическим полем. Таким образом, We в качестве физической величины представляет собой электрическую или потенциальную энергию единицы пространственного объема, в котором существует электрическое поле. Эта величина также известна, как объемная плотность электроэнергии.

>28. Электроемкость. Конденсаторы и их соединение. Энергия электрического поля заряженного конденсатора. Виды конденсаторов.

    1. Электроемкость

Электроемкость уединенного проводника – отношение заряда проводника к его потенциалу.

Электроемкость характеризует способность тела накапливать электрические заряды.При большой электроемкоститело может накопить большой заряд при небольшом значении потенциала.

Единица измерения электроемкости Фарад, Ф.

Ф = Кл/В

1 мкФ = 10-6Ф

1 нФ = 10-9Ф

1 пФ = 10-12Ф

Конденсатор – система двух проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников.

Плоский конденсатор –

две параллельные проводящие пластины, расположенные параллельно и разделенные

слоем диэлектрика.

Электрическое поле заряженного конденсатора

Вне пластин напряженность поля равна нулю

Напряженность поля внутри плоского конденсатора вдвое больше напряженности поля одной пластины

Напряженность поля внутри плоского конденсатора вдвое больше напряженности поля одной пластины

Электроемкость конденсатора – отношение заряда на одной из обкладок к разности потенциалов между пластинами.

С = Q/U

Для однородного поля внутри конденсатора напряженность поля и разность потенциалов между обкладками связаны соотношением

U = Ed

электроемкость плоского конденсатора определятся формулой

Энергия заряженного конденсатора

    1. 29. Физические основы проводимости металлов. Постоянный электрический ток, его

      характеристики. Закон Ома для участка цепи.

      Согласно классической электронной теории,электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ. Электронный газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла.

      Из-за взаимодействия с ионами электроны могут покинуть металл, лишь преодолев силы притяжения со стороны кристаллической решетки. Минимальная энергия, необходимая электрону для того, чтобы покинуть металл, называется работой выхода.

      Допущения классической электронной теории являются весьма приближенными, однако она объясняетзаконы электрического тока в металлических проводниках.

      При прохождении тока по проводнику переноса вещества не происходит

      Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц.

      Электрический ток возникает при упорядоченном перемещении свободных электронов или ионов.

      При прохождении электрического тока через вещество всегда проявляется его магнитное действие. Могут проявляться также химическое и тепловое действия тока.

      Направлением электрического тока считается направ­ление упорядоченного движения положительно заряженных частиц.

      Если ток образован движением отрицательных зарядов (например, электронов), то направление тока противоположно направлению движения частиц.

      φА>φB;

      Ток течет в сторону убывания потенциала.

      Силой тока называется скалярная физическая величина I, равная элек­трическому заряду, который переносится через поперечное сечение проводника за единицу времени.

      Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным. Для постоянного тока

      где Δq — заряд, который переносится сквозь поперечное сечение проводника за время Δt.

      В самом общем случае сила тока определяется как производная от электрического заряда по времени.

      Энергия электрического поля.

      12345

      1. Постоянный электрический ток. Сила тока. Плотность тока. Единицы измерения силы тока и плотности тока. Амперметр. Соединение амперметра в цепи для измерения силы тока на участке цепи.

      Сторонние силы. Электродвижущая сила источника тока. Электрическое напряжение. Единицы измерения напряжения. Связь разности потенциалов с электродвижущей силой (ЭДС) и напряжением.

      Закон Ома для участка цепи. Электрическое сопротивление. Единица измерения электрического сопротивления. Зависимость электрического сопротивления от линейных размеров. Удельное сопротивление проводника (резистора). Зависимость электрического сопротивления от температуры. Последовательное и параллельное соединение проводников (резисторов). Смешанное соединение проводников. Распределение токов и напряжений при соединении проводников. Правила Кирхгофа.

      Работа и мощность электрического тока. Единица измерения работы электрического тока и мощности. Закон Джоуля-Ленца. Превращение электрической энергии в другие виды энергии (в тепловую, механическую). Коэффициент полезного действия при этих превращениях. Примеры.

      1. Магнитное поле токов. Направление магнитного поля прямого и кругового тока. Силовые линии магнитного поля. Магнитная индукция. Напряженность магнитного поля. Единицы измерения магнитной индукции и напряженности магнитного поля.

      Закон Био-Савара-Лапласа. Принцип суперпозиции магнитных полей. Закон Био-Савара-Лапласа для расчета магнитного поля прямого проводника с током и для магнитного поля в центре кругового проводника с током. Магнитное поле соленоида и тороида.

      Закон Ампера. Сила, действующая на проводник с током. Взаимодействие параллельных токов. Сила, действующая на заряд, движущийся в магнитном поле (сила Лоренца).

      Явление электромагнитной индукции. Поток магнитной индукции. Опыты Фарадея. Правило Ленца. Индуктивность соленоида.

      1. Электромагнитные колебания. Колебательный контур. Электромагнитные колебания в колебательном контуре. Уравнение свободных электромагнитных колебаний в колебательном контуре и его решение. График свободных электромагнитных колебаний. Формула Томсона.

      Затухающие и вынужденные электромагнитные колебания. Затухающие электромагнитные колебания. Уравнение затухающих электромагнитных колебаний и его решение. График затухающих колебаний. Вынужденные электромагнитные колебания. Уравнение вынужденных электромагнитных колебаний и его решение.

      Переменный электрический ток.Переменный ток. Генераторы переменного тока. Активное и реактивное сопротивление. Закон Ома для цепи, содержащего активное и реактивное сопротивления. Векторная диаграмма. Закон Ома для цепи переменного тока, содержащей параллельное соединение активных и реактивных сопротивлений. Резонанс токов и напряжений. Мощность в цепи переменного тока.

      1. Электромагнитные волны. Свет.Открытый колебательный контур. Вибратор Герца. Дифференциальное уравнение электромагнитной волны.

      Интенсивность электромагнитных волн.

      Шкала электромагнитных волн.Видимый свет. Инфракрасные и ультрафиолетовые лучи.

      Свойства света. Интерференция света. Интенсивность света. Сло жение интенсивностей света при наложении двух монохроматических волн. Интерференционная картина от двух щелей. Оптическая разность хода лучей. Условия максимумов и минимумов на интерференционной картине. Ширина интерференционной полосы. Интерференция света в тонких пленках. Кольца Ньютона. Условия максимумов и минимумов интерференции. Применение явления интерференции света.

      Дифракция света. Основные положения принципа Гюйгенса – Френеля.

      Дисперсия света. Дисперсия света при прохождении через призму. Разложение белого света на монохроматические лучи. Электронная теория дисперсии.

      Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Плоскость поляризации. Закон Малюса. Закон Брюстера. Формула Френеля. Двойное преломление. Поляризованные призмы и поляроиды. Вращение плоскости поляризации. Поляриметры. Сахариметры.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *