Вопрос 8. Электроемкость. Конденсаторы. Емкость плоского конденсатора. Виды соединения конденсаторов.

Величина, равная отношению заряда уединенного проводника (проводник, который находится далеко от других тел, что влиянием их электрических полей можно пренебречь) к его потенциалу называется электрической емкостью.

Конденсатор – это такие устройства, которые при небольших размерах и небольших потенциалах имеют свойства накапливать заряды.

Конденсатор состоит из двух проводящих плоскостей (обкладки), диэлектрика.

Емкость плоского конденсатора – расстояние между обкладками d. Площадь пластин S. Расстояние d<<S.

У конденсаторов существует также два вида соединения: последовательное и параллельное.

Последовательное соединение. В этом случае обкладка одного конденсатора, заряженная отрицательно, соединена с обкладкой другого конденсатора, заряженного положительно. На рисунке показан пример последовательного соединения конденсаторов.

Последовательное соединение двух конденсаторов

При данном типе соединения действует следующее правило: величина, обратная емкости батареи конденсаторов при последовательном соединении, равна сумме величин, обратных емкостям отдельных конденсаторов. Из этого следует:

1/С = 1/С₁ + 1/С₂ + 1/С₃ + ...

При этом типе соединения емкость батареи конденсаторов меньше емкости любого из конденсаторов.

Параллельное соединение – для увеличения емкости. При параллельном соединении конденсаторов положительно заряженные обкладки соединены с положительно заряженными, а отрицательно заряженные — с отрицательными.

Параллельное соединение двух конденсаторов

В этом случае емкость батареи конденсаторов будет равна сумме электрических емкостей конденсаторов:

С = С₁ + С₂ + С₃ + ...

Вопрос 9. Энергия электрического поля (системы зарядов, заряженного конденсатора, энергия электростатического поля)

Во всех трех случаях математическая формула будет одинакова. Где же сосредоточена энергия? Что является ее носителем?

Электростатика не отвечает на этот вопрос. Заряд и поле обладает энергией. Они могут существовать отдельно от породивших систем электрических зарядов.

Энергия систем неподвижных точечных зарядов.

Энергия заряженного уединенного проводника.

Имеется проводник, заряд, емкость и потенциал. Увеличим заряд этого проводника на dQ. Для этого необходимо перенести заряд dQ из бесконечности на уединенный проводник, затратив работу

Чтобы зарядить тело от ненулевого потенциала до , нужно совершить работу:

Энергия конденсатора – всякий конденсатор обладает энергией

Энергия электростатического поля – преобразуем формулу, воспользовавшись выражением для емкости плоского конденсатора

И разности потенциалов между обкладками:

Тогда:

Объёмная плотность энергии электростатического поля:

Вопрос 10. Постоянный электрический ток. Сила тока, электродвижущая сила и напряжение.

Электрический ток - упорядоченное движение заряженных частиц под действием сил электрического поля или сторонних сил.

За направление тока выбрано направление движения положительно заряженных частиц.

Электрический ток называют постоянным, если сила тока и его направление не меняются с течением времени.

Для существования постоянного электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц и наличие источника тока, в котором осуществляется преобразование какого-либо вида энергии в энергию электрического поля.

Сила тока I - скалярная величина, равная отношению заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника,  промежутку времени, в течение которого шел ток. Сила тока показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени.

Ток называют постоянным, если сила тока не меняется со временем. Для того чтобы ток через проводник был постоянным необходимо, чтобы разность потенциалов на концах проводника была постоянной.

Если заряженная частица q движется со скоростью v (скорость направленного (!) движения), то:

.

Т.о. при увеличении площади сечения проводника скорость направленного движения частиц, создающих ток, уменьшается.

Плотность тока j - отношение силы тока к площади поперечного сечения проводника. Измеряется в А/м². Вектор плотности тока сонаправлен с вектором напряженности поля. Т.о. плотность тока не зависит от размеров проводника.

Для существования тока необходимо: наличие свободных зарядов, наличие поля с разностью потенциалов.

Положительный заряд движется в электростатическом поле по вектору напряженности от большего потенциала к меньшему. И в конце концов это приведет к выравниванию потенциалов и прекращению тока. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в цепи устройства, способного создаваться и поддерживать разность потенциалов. Эти устройства – источники тока.

Силы неэлектрического происхождения называют сторонними. Их природа различна.

Величина, равная работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда по всей цепи, называется электродвижущей силой источника.

Физическая величина, численно равная работе, совершаемой сторонними и Кулоновскими силами на участке цепи, называется напряжением на данном участке.

Если ЭДС отсутствует, то