wyklad20.doc

(207 KB) Pobierz
Wykład 20



Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

Wykład 20

20.            Elektrostatyka II

20.1          Obliczanie potencjału

Rozważmy np. różnicę potencjałów (napięcie) pomiędzy środkiem i powierzchnią naładowanej powłoki kulistej.

Ponieważ E = 0 (wzdłuż drogi całkowania) więc tzn. w środku i na powierzchni jest ten sam potencjał.

Z powyższego wzoru wynika, że

 

                            (20.1)

 

Przykład 1



              Obliczyć potencjał V i pole E w odległości r od dipola ustawionego wzdłuż osi x. Moment dipolowy p = qL i dodatkowo r >> L.

Jeżeli r >> L to punkt P jest odległy od ładunku +q o:

 

[r – (1/2)Lcosq]

 

oraz od –q o:

 

[r + (1/2)Lcosq]

 

Całkowity potencjał jest sumą

 

 

Dla r >> L otrzymujemy ostatecznie

 

 

 

 

Teraz rozpatrzmy pole i różnicę potencjałów dla dwóch przeciwnie naładowanych płyt o polu powierzchni S znajdujących się w odległości d od siebie. Jeżeli ładunki na płytach wynoszą odpowiednio +Q i –Q to gęstości ładunków wynoszą Q/S i –Q/S.

 

DV = – Ed

 

Zgodnie z naszymi obliczeniami

 

DV = sd/e0

 

                            (20.2)

 

Na zakończenie zaznaczmy, że powierzchnia każdego przewodnika jest powierzchnią stałego potencjału (powierzchnią ekwipotencjalną).

20.2          Pojemność

Kondensator - układ przewodników, który może gromadzić ładunek elektryczny.

Definicja pojemności

 

                            (20.3)

 

Jednostka farad. 1F = 1C/1V.

Powszechnie stosuje się mF, nF, pF.

Dla kondensatora płaskiego na podstawie (20.3) i (20.2)

 

                            (20.4)

 

20.3          Energia pola elektrycznego

Początkowo nie naładowany kondensator ładuje się od 0 do napięcia U. Wtedy ładunek wzrasta od 0 do Q, gdzie Q = CU.

Praca zużyta na przeniesienie ładunku dq z okładki "–" na "+" wynosi

 

dW = Udq

 

Całkowita praca wynosi więc

 

                            (20.5)

 

Dla kondensatora płaskiego

 

 

Podstawiamy to do wzoru na energię i otrzymujemy

 

 

Podstawiając wyrażenie na C dostajemy

 

 

Sd - objętość kondensatora, więc gęstość energii w = W/Sd

 

                            (20.6)

 

Jeżeli w jakimś punkcie przestrzeni jest pole E to możemy uważać, że jest tam zmagazynowana energia w ilościna jednostkę objętości.

20.4          Dielektryki

Rozważaliśmy pole elektryczne od przewodników w próżni.

Stwierdzamy, że umieszczenie materiału nieprzewodzącego (dielektryka) między okładkami kondensatora powoduje zwiększenie pojemności od wartości C do wartości C'.

 

 

gdzie k jest względną przenikalnością elektryczną (stałą dielektryczną).

20.4.1    Dielektryki, pogląd atomistyczny

Dwie możliwości:

·      cząsteczki polarne np. H2O mające trwałe momenty dipolowe p

·      cząsteczki (atomy) mają indukowany (przez zewnętrzne pole E) moment dipolowy (przykład z atomem wodoru - Wykład 19).

 

Przykład 2

Atom wodoru umieszczony w zewnętrznym polu E0.

Siła F = – eE0 przesuwa chmurę elektronową o x0 względem rdzenia (protonu). Wówczas atom ma moment indukowany p = ex0.

Pole w miejscu protonu

E = E0 + Echmura

 

 

Ponieważ proton (rdzeń) w położeniu równowagi więc E = 0, skąd dostajemy

 

 

Indukowany moment dipolowy jest zatem równy

 



 

Elektryczne momenty dipolowe p dążą do ustawienia zgodnie z kierunkiem pola, a momenty indukowane są równoległe do pola. Materiał w polu E zostaje spolaryzowany (rysunek).

W rezultacie dodatni ładunek gromadzi się na jednej, a ujemny na drugiej powierzchni dielektryka. Wewnątrz nie pojawia się żaden ładunek. Indukowany ładunek powierzchniowy q' pojawia się więc gdy dielektryk umieścimy w polu elektrycznym.

Wybieramy powierzchnię Gaussa (linia przerywana).

 

ES=(q – q')/e0

 

E = (q – q')/(e0S)

 

Pojemność takiego kondensatora

 

 

Dzieląc przez C otrzymamy

20.4.2    Dielektryki - rozważania ilościowe.

Jeżeli każda cząsteczka ma średni moment dipolowy skierowany zgodnie z polem E i jeżeli w dielektryku jest N cząsteczek to całkowity moment dipolowy pcałk = N

Z drugiej strony ładunek (indukowany) jest na powierzchni więc

 

pcałk = q'd

Łącząc te wyrażenia

q'd = N

 

q'd = (nSd)

 

gdzie n jest ilością cząsteczek w jednostce objętości.

 

q' = nS

 

Podstawiamy to do wzoru na k

 

 

Obliczyliśmy, że

 

Podstawiając E = (q – q')/(e0S)

 

 

Wstawiając to do wyrażenia na k

 

 

Obliczamy ...

Zgłoś jeśli naruszono regulamin