Если циркул. не =0 то поле не потенциально.
Физ. смысл. циркул. численно равен работе по перемещ. единичн. полож. зар. по замкн. траектории.
Лекция.
Вычисление разности потенциала по напряж. поля.
2
1)A=q0òEldl
1
2)A=q0(j1 - j2)
2
j1 - j2=òEldl Связь между
1 разностью потенциала и напряженностью поля.
Вычислим разность потенциала для бесконеч. , равномер. заряженной нити с линейной плотностью t .
Пример:
t =dq/dl [ Кл/м]
t1, t2 e=1
(j1 - j2) - ?
El=Er dl=dr
r2 r2
j1 - j2=òErdr=òEdr
r1 r1
E=(t/2pe0r) напряженность поля в точке на расст. r от нити. 2
j1 - j2=(t/2pe0)òdr/r
1
j1 - j2=(t/2pe0)´ln(r2/r1)
Пример 2:
Вычисл. разности потенциала для равномер. заряж. сферы (проводящий шар).
Сфера R , q=1
1) r<R 2) r>R
Для точек вне сферы (r>R) из теор. Гаусса напряженность Е вычисляется Е=1/2pe0=q/r2
Внутри (r<R)
Е=0
r2 r2
j1 - j2=òErdr=òEdr=
r1 r1
=(q/4pe0)òdr/r2=(1/4pe0)(q/r1) -
- (1/4pe0)(q/r2)
из последнего выражения следует что потенц. поля не определ. как и у точечного зар. котор. нах. внутри.
r>R j =(1/4pe0)(q/r)
Внутри напряженность поля =0
поэтому j1 - j2=0
j1=j2=jR=(1/4pe0)(q/R)
j =const
Нарис. графики.
Связь между напряженностью поля и потенциалом в диффер. форме.
Градиент потенциал.
Для получения связи между Е и j в одной точке воспользуемся выраж. для элементарн. работы при перемещении q0 на dl по произвол. траектории.
dA=q0Eldl
В силу потенциального характера сил электростатического поля эта работа соверш. за счет убыли потенциальной энергии.
dA= - q0 dj = - П
Eldl = - dj
3) El= - (dj /dl )
Проэкция вектора напряж. поля на произвольном направлении (l) равна взятой с обратным знаком производной по этому направлению.
4) Ex= - (dj /dx)
Ey= - (dj /dy) Ez= - (dj /dz)
_ _ _
E= - ( i (¶/¶x)+j (¶/¶y)+
_
+k (¶/¶z))´j
_
E= -grad Напряженность
поля в данной т. равна взятому с обр. знаком градиенту потенцеала в этой точке.
Градиент сколяр. фукции явл. вектором.
Градиент показывает быстроту изменения потенцеала и направлен в стор. увелич потенцеала.
Напряж. поля всегда перпендикулярна к эквпотенцеальным линиям.
Пусть точечный заряд q0 перемещается в доль эквипотенцеала j =const , dl - на эквипотенцеали.
dA=q0Eldl dA=0 т.к. Dj =0
El=Ecosa q0Ecosa dl =0
q0¹0 E¹0 dl¹0 cosa=0 a=900
Проводники в электрич. поле.
Электроемкость проводников.
Конденсаторы.
Энергия поля.
§1 Условия равновесия заряда на проводнике. Электростатич. защита.
Внесем в электрич. поле напряженностью E0 тело.
При внесении проводника все электроны окажутся в электростатич поля.
В нутри проводника за короткое время призойдет разделение эл. зарядов (электростатич индукция) с накоплением их на концах.
_ _ _
E0 - внешнее E' ¯E0
_
E' внутри проводника
_ _ _ _ _
Е=E0+E'=0 E'=E0
E - результ. поле в нутри проводника.
В результате рассмотренныых процессов.
Усл. равновес. заряда.
1)Напр. поля во всех точках внутри проводника Е=0 .
2)Поверхность проводника
явл. эквипотенцеальной
j =const.
_
3) Напр. поля Е ^ эквипот.
j =const.
В силу Е=0 проводники люб. формы явл. защитой от электростатич. поля.
Поле у поверхн. заряж. проводника.
Рассм. произаольную форму проводника заряж. по поверх. с поверхностной плотностью s .
Воспольз. теор. Гаусса в интегральной форме.
_ _
ѓDdS=Sqi
s
На заряж. поверхности отсечем круг площадью S.
ѓe0EdS=e0EòdS
s s
e0E´S=s´S
в т. А E=s/e0
D=e0E D=s
Напр. поля прямопропорц. поверх. плотности заряда проводника в окрестностях этой точке.
Разделение зар. по проводнику завис. от его поверх. (у острых углов заряд больше , напряж. сильнее).
Электроемкость проводника.
Единица электроемкости.
Рассм. проводник произв. формы. В близи этого проводника других проводников нет. такой проводник назв. уединенным проводником.
Будем заряжать уединенный проводник. При увеличении заряда потенциал прямо пропорционально зависет от Q.
Связь между зарядом Q , потенциалом j , и формой проводника дает электроемкость С=Q/j .
Емкостью уединенного проводника - назв. физ вел. числ.= величине зар. сообщаемого этому проводнику при увеличении потенциала на 1В.
В Си 1Ф - фарад.
1Ф=1Кл/1В
Электроемкость зависет от размеров , формы и диэлектрической проницаемости среды.
С=4pee0R
j =(1/4pee0)´(Q/R)
Уединенные проводники при приближении к ним других проводников свою емкость существенно меняет (уменьш. за счет взаимного влияния электростотич. полей).
Лекция.
Конденсаторы.
Типы конденсаторов.
Конденсатор - устройство позволяющие получать стабильное значение емкости независящее от окружения.
Создание закрытого поля не влияющего на металлич. предметы достигается за счет двух металлич. разноимен. заряж. электродов.
В зависемости от формы обкладок различают плоские , цилиндрические , сферические конденсаторы.
Расчет емкости конденс. разл. типов.
1)
Дано: s , ½+ s ½=½ - s ½ ,
e , S , d
C - ?
C=q/j уедин. проводника
Для конденс.
1) С= q/Dj =q/U
Dj =U - напряжние
С=sS/Ed=sS/[(s/ee0)´d]=
=ee0S/d 2)
Цилиндрич. конденсатор.
R1 , R2 , l , e
½+q ½=½ - q½
+t , -t
C - ?
Воспользуемся 1)
R2
С= tl/(òEdr) E= t/2pee0r
R1
Напряженность поля произвольной точки располож. между цилиндрами на расст. r от оси определяется только зарядами на внутреннем цилиндре (см. теор. Гаусса). Аналогично для тонкой нити.
R2
С= tl/(ò(t/2pee0r)dr=
R1
= [tl/(t /2pee0´ln R2/R1)]
3) C=[tl/(t /2pee0´ln R2/R1)]
емкость цилиндрич. конденс.
Сферич. конденсатор.
Сферич. конденс. - две концентрические сферы определ. радиуса.
Дано: e , R1 , R2
½+q ½=½ - q½
C - ?
Использ. 1) R2
С=q/= q/Dj =q/(òEdr)=
R2 R1
=q/(ò(q/4pee0r2)dr)
R1
C=q/((q/4pee0)´(1/R1 - 1/R2))
C=4pee0R1R2/(R2 - R1)
Для всех видов конденс. видно что емкость зависит от параметров электродов. Всегда с помещением диэлектрика между электродов емкость увелич.
Соединение конденсаторов.
Батареи конденсаторов.
Конденсаторы часто приходится соединять вместе. Часто возник. необходимость соед. их в батареи (когда нужно иметь другую емкость).
1) Последовательное соед. - соед. при котор. отрицательные электроды соед. с полож.
У последовательно соед. Конденсаторов заряды всех обкладок равны по модулю , а разность потенциалов на зажимах батареи
n
Dj =åj i
i=1
Для любого из рассматриваемых конденс. Dj i=Q/Ci
С другой стороны ,
n
Dj =Q/C=Qå(1/Ci)
i=1
Откуда
n
1/C=å1/Ci
i=1
2) Параллельное соед. - соед. при котор. соедин. между собой обкладки одного знака.
n
С=åCi
i=1
У параллел. соед. конденсоторов разность потенциалов на обкладках конденсаторов одинакова и равна j а -j b. Если емкости конденсаторов С1 ,С2, ..., С3 то их заряды равны Q1=C1(j а -j b)
Q2=C2(j а -j b)
а заряд батареи конденсаторов
n
Q=åQi=(C1+C2+...+Cn)´
i=1
´(j а -j b)
Полная емкость батареи
n
С=Q/(j а -j b)= åCi
i=1
Энергия заряженного проводника и конденсатора.
Рассм. уедин. проводник произв. формы. Проведем зарядку этого проводника , при этом подсчитаем работу внеш. сил.
Пусть при перенесении dq из ¥ , проводник приобрел потенциал j . Элементар. работа dA=j dq.
Допустим зарядили до Q .
С=q/j j=q/C
Вся работа совершаемая при зарядке проводника до Q равна.
1) A=Q2/2C 2) A=Cj2/2
3) A=Qj/2
В окружающем пространстве после зарядки проводника возникло электростатическое поле, значит работа при зарядке проводника расходуется на создание поля. Значит работа переходит полностью в энергию электростатич. поля.
Wэл=1) или 2) или 3)
Из 1) , 2) ,3) не следует ответа что энерг. Wn локализована в самом поле поскольку в формуле стоят параметры заряж. проводника.
Конденсатор.
Рассм. зарядку конденсатора состоящего из двух обкладок
Первый путь - dq перенос. из ¥ на одну из обкладок , тогда на второй обкладке возникнет -.
Второй путь - элементарн. заряд dq перенести из одной обкладки на вторую.
Независимо от способа формулы 1) , 2) , 3) справедливы (только j изменяется на Dj).
Энергия электростатического поля.
Объемная плотность энергии.
Носителем энергии явл. само поле.
Для подтверждения этой идеи возьмем формулу 1).
Wэл=Q2/2C применим ее к плоск. конденсатору. (параметры известны).
Wэл=s2S2d/2ee0S=(s2/2ee0)´Sd=
=(ee0s2/2(ee0)2)´V
1) Wэл=(ee0E2/2)´V
Из 1) следует что носителем энергии явл. поле с напряженностью Е.
Из 1) следует что все стоящее перед объемом - это объемная плотность энерг. электростатического поля.
2) wэл=(ee0E2/2)
2') wэл=DE/2
В физике доказывается что 2) и 2') можно применять и для неоднородного поля, для котор. полная энерг. может быть вычесленна по формуле
3) Wэл=òwэлdV