Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
physics_kalita.pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
17.03.2016
Размер:
1.89 Mб
Скачать

3.3 Рiвняння Пуассона

3 Потiк вектора напруженостi електричного поля

3.3Рiвняння Пуассона

Запишемо теорему Гауса в диференцiальнiй формi.

@Ex + @Ey + @Ez = @x @y @z "0

Це рiвняння мiстить 3 невiдомих функцi¨ i незручне для розрахункiв. Згада¹мо, що ~

~

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E = grad' та розпишемо E = r'. Â

результатi ми можемо виконати пiдстановку.

 

 

~

@'~

@'~

@'~

 

 

 

 

 

 

 

E =

@x i

@y j

@z k

 

 

 

 

 

 

Ex = @'@x , Ey = @'@y , Ez = @'@z

 

 

 

@( @'@x )

+

@( @'@y )

 

+

@( @'@z )

=

 

 

 

 

 

 

@x

 

 

@y

 

 

@z

 

"0

 

 

 

@2'

@2'

 

@2'

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

@x2 +

@y2

+ @z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

"0

 

 

 

 

 

 

Це рiвняння мiстить одну невiдому функцiю Розвязки таких рiвннь розвязують за допомогою методiв матфiзики. При= 0 зазначене рiвняння назива¹ться рiвнянням Лапласа. Воно дозволя¹ розрахувати напруженiсть електричного поля за вiдсутностi заряду.

3.4Приклади розрахунку електричних полiв за допомогою теореми Гауса

3.4.1Заряджена площина (рис 1.21)

E =

qoxoïë

, qoxoïë = Sîñí

 

 

"0

 

 

 

E = S EdS~ = 2Sîñí

EdS~ ~ +Sái÷íà

EdS~ ~ , Sái÷íà

EdS~ ~ = 0

Ма¹мо площину, яка однорiдно заряджена

~

 

 

~

 

 

~

 

 

 

E ? dS(Sái÷í), áî E ds

 

 

E = Sîñí

 

 

Sîñí

 

 

Eds = 2ESîñí = "0

 

 

E =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2"0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.2Заряджена нитка (рис. 1.22)

Нитка ма¹ густину заряд, r- найменша вiдстань вiд точки до нитки. поле однакове на сторонах цилiндру

E =

qoxoïë

, qoxoïë = h

 

 

"0

 

EdS~ ~ = Sái÷íà

EdS~ ~ = Eh2 r= "0

E

= S EdS~ ~ = Sái÷íà

EdS~ ~ + 2Sîñí

 

 

 

 

 

 

 

 

h

Sîñí

EdS~ ~ = 0 (E~ ? dS~)

 

 

E =

 

 

 

 

 

 

 

2 "0r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

4 Електричне поле в дiелектриках

R

'(r) = '(r0) E(r)dr

r0

r

 

 

 

 

'(r) = '(r0) r0

 

 

 

r

 

dr = '(r0)

 

ln(

 

)

2 "0r

2 "0

r0

4Електричне поле в дiелектриках

Дiелектриками називають речовини, якi не проводять електричний струм. В них вiдсутнi так званi вiльнi заряди, якi можуть перемiщуватись в об'¹мi цi¹¨ речовини, iншими словами всi заряди дiелектрика локалiзованi у межах атомiв чи молекул. При розташуваннi дiелектрика в зовнiшньому електричному полi спостерiга¹ться спотворення цього поля. (рис 1.23)

Спостерiга¹мо поле E~ 0 всерединi (ста¹ не таким, якби дiелектрика не було, E~

0 = E~

). Бiльше того, дослiди показують, що

 

E0

 

< E. Ïîëå E~ 00

 

6

 

E~

00 = E~ .

j

j

поряд з дiелектриком, але не всерединi дiелектрика, також спотворю¹ться i

 

 

 

 

 

 

6

Очевидно, що поле Е~ можуть змiнити тiльки заряди. Змiна поля в дiелектрику вiдбува¹ться внаслiдок явища полярiзацi¨.

На поверхнi дiелектрика створюються так званi полярiзацiйнi заряди, якi i спотворюють електричне поле. Е~ 00- полярiзацiйнi заряди. Очевидно, щоб пояснити це явище необхiдно звернути увагу на атомну будову речовини. Слiд припустити, що пiд дi¹ю поля вiдбува¹ться ефект полярiзацi¨ атома, при чому це вiдбува¹ться впорядковано, тобто всi атоми поляризуються однаковим чином, так що в сумi утворюються поверхневi макроскопiчнi заряди (заряди в атомi - мiкроскопiчнi).

Молекула, наприклад, H2O в цiлому електронейтральна. Мiстить атом кисню та два атому водню, при чому у атому кисню

бiльша спорiдненiсть до електричного заряду, нiж у водню. Тому позитивнi заряди зосередженi на киснi, а негативнi на воднi. (рис 1.24а)

В результатi отрима¹мо, що у молекули води центр розподiлу додатнього i вiд¹много заряду не спiвпадають. Iншими словами така молекула в електричному вiдношенi представля¹ собою систему двох однакових за величиною зарядiв протилежного знаку рознесених на певну вiдстань.

Розгляда¹мо систему за вiдсутностi електричного поля. Така молекула може бути представлена сукупнiстю (рис 1.25)

Заряди молекл за вiдсутностi поля орi¹нтуються хаотично. Якщо тепер ми таку систему внесемо в електричне поле Е,~ то пiд дi¹ю поля ми будемо мати таку систему, як на рис 1.26

Тобто пiд дi¹ю зовнiшньго електричного поля вiдбува¹ться полярiацiйне впорядкування зарядiв в молекулах.

Всерединi дiелектрика система електронейтральна, а зовнi утворюються макроскопiчнi додатнi та вiд¹мнi заряди. Це i ¹ полярiзацiйнi заряди. Це i ¹ полярiзацiйне явище дiелектрика.

У молекул H2Î, HCl, NH3, ... - заряди не спiвпадають

4.1Диполь

Диполем називають систему двох точкових зарядiв однакових за величиною, але протилежних за знаком, якi знаходяться на вiдстанi `. (ðèñ. 1.27)

10

4.2 Вектор полярiзацi

4 Електричне поле в дiелектриках

Ця система стане диполем, коли точка спостереження

r> >`. Атоми, якi мають рiзнi центри розподiлу заряду можна роз-

глядати як диполi. Можемо ввести радiус вектор ~ j j j j. ` = ~r+ ~r , що назива¹ться плече диполя. Позначимо q = q+ = q

Додатнiй заряд диполя називать зарядом диполя.

~

p~ä = ql- дипольний момент.

Ясно, що в однорiдному електричному полi сила, яка дi¹ на диполь зi сторони поля буде рiвною нулю.

~ ~

~

~

~

~

~

 

 

 

 

F = F+ + F = q+E + q E = qE qE = 0 (система електронейтральна).

 

Сила, яка дi¹ на диполь в однорiдному елекричному полi = 0: Якщо поле не однорiдне, то сила 6= 0.

Розгянемо диполь в однорiдному електричному полi. (рис 1.28). ~

 

~ ~

~

до рiзних точок).

 

 

 

 

F+ = qE , F = qE (протилежнi за напрямком, прикладенi

q` = p~ä

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

~

 

~

~

~

~

~

~

~

M = [~r+ F+] + [r F ] = [~r+ qE] [r qE] = [q(~r+ ~r ) E] = [ql

E] = [p~ä E]

Момент сили, який дi¹ на диполь дорiвню¹ векторному добутку дипольного моменту на вектор напруженостi електричного поля .

~

Å,~

' = .

p~ä E , ' = 0; p~ä "#

 

Необхiдно визначити, яка з орi¹нтацiй буде стiйкою. Робота, що викону¹ться електричним полем при обертаннi диполя: dA = Md' = päEsin'd'

'2

'2

A = dA = päEsin'd' = päE sin'd' = päE( cos')j''2 = (päEcos'2) (päEcos'1)

1

'1

'1

(päEcos'2)- кiнцева енергiя диполя, (päEcos'1)- початкова енергiя диполя.

ä ~

Енергiя диполя в електричному полi W = p~ E.

Роботу викону¹ поле за рахунок власно¨ енергi¨, тому змiна роботи буде вiд'¹мна по вiдношенню до змiни енергi¨. Енергiя диполя в електричному полi: W = päEcos' ; ' = 0, W ! min

Крiм полярних дiелектрикiв, тобто дiелектрикiв, молекули яких мають власний дипольний момент iснують так званi неполярнi дiелектрики. Вони ¹ симетричнi. Наприклад, молекули О, He, H2, C ! Pä = 0, але якщо ¨х розташувати в зовнiшньому

~

електричному полi ма¹мо p~ä = "0E.

Пiд дi¹ю зовнiшньго електричного поля поля вiдбува¹ться збурення електричних станiв.

На неполярнi дiелектрики моменту нема, бо в них дипольний момент завди орi¹нтований вздовж Е~

4.2Вектор полярiзацi

Розглянемо дiелектрик, молеули якого мають дипольний момент. (рис 1.29)

 

 

 

 

1.29

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ñóìà ~

v

 

Pi

~

~

 

 

 

 

 

v !

 

P

=

i - повний

 

 

 

 

P

V

 

 

Pä

дипольний момент системи атомiв.

 

Введемо вектор полярiзацi¨ P~ =

Pv

, P~ =

1

Pi

p~äi

 

 

 

V

V

 

 

 

~

P не залежить вiд об'¹му речовини, а залежить тiльки вiд ¨¨ фiзичних властивостей, ¨¨ стану

~ ~

 

 

1

~

~

Якщо дiелектрик неполярний, то p~äi = "0E i P

=

V

N "0E = n "0E

n = {- дiелектрична сприйнятливiсть речовини

Для однорiдного полярного дiелектрика ма¹мо

P 2

P t n3kTä E - середня величина поляризацi¨.

n Pä2 $ { 1

3kT T

Заполяризувати дiелектрик тим важче, чим вища температура, тому дiелектрична сприйнятливiсть обернено пропорцiйна до температури.

11

4.3 Звязок мiж вектором полярiзацi¨ та полярiзацiйними зарядами

4 Електричне поле в дiелектриках

4.3Звязок мiж вектором полярiзацi¨ та полярiзацiйними зарядами

Вiзьмемо однорiдний дiелектрик у виглядi пластини. Розташу¹мо цей дiелектрик в зовнiшньому електричному полi, що перпендикулярне до площини пластини. Очевидно, що вiдбува¹ться полярiзацiя. На поверхнi утворюються полярiзацiйнi заряди. (рис 1.30)

Беремо дiлянку дiелектрику у виглядi цилiндру. Диполний момент P V = P l S, äå P - вектор полярiзацi¨ l S - îá'¹ì.

З iншого боку P V = Sl, äå S - заряд, l - плече.

Порiвня¹мо правi частини цих виразiв. Ми бачимо, що вектор полярiзацi¨ у разi однорiдного дiелектрика дорiвню¹ однорiдному заряду. P = ) Pn = - нормальна складова.

~

Розглянемо випадок неоднорiдного дiелектрика. Беремо маленьку вузьку дiлянку dS, спiвнаправлену по формi до E, ÿêó ìî-

жна вважати однорiдною. Явище полярiзацi¨ обумовлено перерозподiлом заряду, але заряд зберiга¹ться, тому для видiлено¨ дiлянки ми можемо записати: ~ ~

P dS = q

В межах маленько¨ дiлянки поле буде однорiдним. q можемо розташувати як q = dV .

V

Пiдставивши, ма¹мо

P~ dS~ = divP~ dV .

З iншого боку за теоремою Остроградського-Гауса:

 

~

divP dV = ïoëdV ,

~

divP = ïoë - густина полярiзацiйного заряду.

4.4Вектор електрично¨ iндукцi¨.

Запишемо теорему Гауса для вектора напруженостi електричного поля за умови присутностi дiелектрика.

(1) ~ ~ 1

EdS = "0 (qñòîð + qïîë) (qñòîð + qïîë) = qîõîï

Внаслiдок наявностi електричного поля утворю¹ться

~q

ñòîð. явище полярiзацi¨. Ми зясували, що

qïîë =

~ ~

якщо ми враху¹мо цей вираз для

q

ïîë, ç (1)

 

~

~

ñòîð.

P dS. Тепер,

 

 

("0E + P )dS = q

 

 

 

Ми бачимо, що незважаючи на явище полярiзацi¨ пiд iнтегралом сто¨ть така величина, потiк яко¨ визнача¹ться тiлки стороннiм зарядом.

~ ~

~

"0E + P

= D - вектор електрично¨ iндукцi¨ (вектор електричного змiщення)

4.5Дiелектрична проникнiсть

Враху¹мо, що величина вектора поляризацi¨ в лiнiйних середовищах прямопропорцiйна вектору напруженостi електричного поля

~

~

P = {"0E

 

~ ~ ~

Враху¹мо це i пiдставимо в формулу означення для "0E + P = D

1 + { = "- дiелектрична проникнiсть середовища.

~

~

D = ""0E- викону¹ться для лiнiйного однорiдного середовища.

Зясу¹мо фiзичний змiст дiелектрично¨ проникностi. Для цього вiзьмемо дiелектрик у виглядi пластини i розташу¹мо в зовнiшньому електричному полi Е~ . (ðèñ 1.31)

12

4.6 Теорема Гауса для вектора електрично¨ iндукцi¨ 5 Провiдники в електричному полi

Для розрахунку

E~

0

використа¹мо принцип суперпозицi¨. Е0

ма¹ бути рiвним сумi напруженостей зовнiшнього поля та заря-

 

 

 

 

 

 

 

~

дами заряджених площин (рис 1.32). Eзарядж:ïëoùèí =

 

 

 

 

2"0

 

В результатi E0 = E "0 ,

= P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E0 = E

 

) "0E0 = "0

P

 

 

 

 

"0

 

 

 

 

"0E0 + P = "0E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Очевидно, що P створю¹ поле Е0, те поле, яке створю¹ дiелектрик

P = "0{E0

"0E0 + "0{E0 = "0E

(1 + {)E0 = E "E0 = E

" = EE0

Дiелектрична проникнiсть показу¹ у скiльки разiв дiелектрик послаблю¹ електричне поле (Е-поле, без дiелектрика, E0-ïîëå за наявностi дiелектрика)

4.6Теорема Гауса для вектора електрично¨ iндукцi¨

Потiк вектора електрично¨ iндукцi¨ пропорцiний охопленому сторонньому заряду.

~ ~

DdS = qñòîð:охопл

~ ~ ~ DdS = divDdV

qñòîð:охопл = ñòîð:охоплdV - за теоремою Остроградського-Гауса

~

divDdV = ñòîð:охоплdV

~

divD = ñòîð:охопл- Теорема Гауса для вектора електрично¨ iндукцi¨ в диференцiйнiй формi. Виконання теореми Гауса означа¹, що для точкового стороннього заряду:

~

 

 

q

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D =

 

4 r2

~er =E""0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В середовищi для точкового заряду ~

 

q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E =

4 ""0r2

~er.

 

 

 

 

 

 

 

Очевидно, що потенцiал ' =

q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 ""0r

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вза¹модiя двох точкових зарядiв в однорiдному середовищi модифiку¹ закон Кулона: ~

 

 

1

 

q1q2

 

~r12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F12

=

4 ""0

 

~r122

 

j~r12j

В дiелектрику вiдбува¹ться також змiна вза¹модi¨ мiж зарядiв dA = pEsin d'

 

 

 

 

 

 

 

 

'2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A = '1

P Esin d' = P Ecos'2 P Ecos'1;

P =

 

 

 

 

 

 

 

5Провiдники в електричному полi

Провiдником називають речовину, яка мiстить вiльнi заряди та здатна проводити електричний струм. Вiльнi заряди можуть вiльно перемiщуватись в межах об'¹му всього провiдника.

Розглянемо провiдник в зовнiшньому електричному полi ~

~

~

~

E. На нього дi¹ сила F

= q0E i âií ðóõà¹òüñÿ. Ïiä äi¹þ ñèëè F

буде вiдбуватися перерозподiл зарядiв в провiднику, i цей перерозподiл буде вiдбуватись до тих пiр, поки напруженiсть електричного поля в серединi провiдника не буде дорiвнювати нулю.

13

5.1 Тиск, що поле чинить на поверхню зарядженого провiдника 5 Провiдники в електричному полi

Êîëè ~

~

E 6= 0 в полi буде iснувати струм, що суперечить закону збереження енергi¨. Отже,

E = 0. Компенсацiя поля вiдбува¹-

ться за рахунок перерозподiлу зарядiв так, що на поверхнi виникають поверхневi заряди. В результатi ма¹мо таку ситуацiю (рис 1.34)

~

Якщо поле всерединi провiдника однакове, вiдсутн¹ i дорiвню¹ нулю, то ' = const ; E = grad(const) = 0 .

Потенцiал точок поверхнi провiдника також однаковий i його називають потенцiалом провiдника.

~

~

E ~n,

E = 0

У випадку зарядженого провiдника.

Ма¹мо провiдник, якому надали заряду q всерединi провiдника поле дорiню¹ нулю, отже заряд розподiлиться по поверхнi. (ðèñ 1.34a) = dSdq . Вiзьмемо провiдник (рис 1.35, 1.36)

Eë = d'dl - найменша вiдстань мiж сусiднiми еквiпотенцiальними поверхнями

Eëíà ðèñ 1.36 E; áî l2 l1

5.1Тиск, що поле чинить на поверхню зарядженого провiдника

Оберемо дiлянку d`. (ðèñ 1.37 , 1.38).

Å=

 

 

; = dq

 

2""0

 

 

dS ;

Eâ =

0;

 

 

~

 

 

Å~

âä +

Å~

 

Eâ =

 

 

взагал

Å~ âä = Å~ взагал

Зi сторони електричного поля залишку на дiлянку дi¹ електрична сила. Поле, що утворю¹ весь провiдник на дiлянцi за виключенням само¨ дiлянки:

E = 2Eçä =

""0

Очевидно, що на дiлянку зi сторони електричного поля залишку дi¹ пандемоторна сила

dF = Eçàëdq = Eçàë ds p = dFdS - òèñê.

p = Eçàë = 2

2""0

E =

""0

P = ""0E2

2

За величиною тиск на поверхнi зарядженого провiдника спiвпада¹ за вличиною з густиною електриного поля.

5.2мнiсть вiддаленого провiдника

За означенням ¹мнiсть провiдника визнача¹ться за формулою C = 'qïð

Розгянемо маленьку дiлянку зарядом dq. (рис 1.39).

dq = dS

= kq = k(x; y; z)q

' =

dq

=

q

 

k(x;y;z)dS

4 ""0r

4 ""0

r

SS

C =

q

=

 

4 ""0

'ïðîâ

 

k(

x;y;z)dS

 

s

 

 

 

 

r

k(x; y; z)- геометричний фактор. мнiсть провiдника залежить вiд " та геометрично¨ форми провiдника.

14

5.3 мнiсть провiдника сферично¨ форми (рис 1.40)

5 Провiдники в електричному полi

5.3мнiсть провiдника сферично¨ форми (рис 1.40)

Всерединi провiдника r < R ) E = 0

Ззовнi провiдника r R ) E =

 

q

 

 

4 ""0r2

D = D4 r2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

qoxon = q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D = qoxon

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D 4 r2 = q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D =

q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 r

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E =

D

 

=

 

 

q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

""0

4 ""0r

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

'(r) = '(r0) 0

Edr

 

 

 

 

 

 

 

r0 = 1

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

qdr

 

 

 

 

q R

 

 

q

'(r) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 ""0r2

=

4 ""0r

j1

=

4 ""0r

 

 

 

 

1

 

 

q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

'(r = R) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 ""0R

 

 

 

 

 

 

 

C =

q

= 4 ""0R

 

 

 

 

 

 

 

'ïð

 

 

 

 

 

 

 

Cçåìëi = 4 3:14 8:85 10 12 6:4 106 = 6 10 4(Фарад)

[C] = 1Ô =

 

1êë

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1Â

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.4Енергiя електричного поля вiддаленого провiдника

Вважа¹мо, що вiн ма¹ ¹мнiсть С. Пораху¹мо енергiю електричного поля провiдника. Очевидно, вона рiвна роботi при зарядженнi провiдника, W = A. Зарядимо його шляхом надання йому послiовними порцiями заряду dq.

dA = 'dq = Cq dq

qq

A = dA = qdq

C

00

W = q2 = q' = C'2

2C 2 2

Конденсатор - це пристрiй для накопичення електричного заряду. Мiстить два чи бiльшу кiлькiсть електродiв, роздiлених мiж собою дiелектриком.

Плоский конденсатор ма¹ електроди у виглядi пластин. (рис 1.41)

Заряд конденсатора qê = jqj

Напруга мiж пластинами називаеться напругою на конденсатрi. q = S ; E = 2""0

мнiсть конденсатора визнача¹тья з вiдношення заряду до напруги конденсатора C = Uq , U = Ed, C = ""d0S

15

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]