Главная | Обратная связь

В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

 

Среди опытов по электростатике обращает на себя внимание целая серия не совсем обычных явлений. Среди них такие:

- если к металлической пластине, укрепленной на стержне электрометра, поднести наэлектризованную эбонитовую палочку, то стрелка электрометра отклоняется, как в случае сообщения ей заряда;

- если на стержне электрометра укрепить пластину из диэлектрика и наэлектризовать ее, то стрелка электрометра отклонится на некоторый угол;

- при поднесении к наэлектризованной пластине другой, ненаэлектризованной пластины из диэлектрика, угол отклонения стрелки электрометра становится меньше, как если бы заряд на закрепленной пластине уменьшился.

Когда речь идет об электрическом взаимодействии, говорят, что этот вид взаимодействия осуществляется между заряженными телами, причем таким образом, что одноименно заряженные тела отталкиваются друг от друга, а разноименно заряженные притягиваются друг к другу.

Но уже первые наблюдения электростатических взаимодействий показывают, что к наэлектризованным телам притягиваются и тела, не имеющие электрического заряда. При этом неважно, из какого материала они изготовлены,- из проводника или из диэлектрика.

Все эти опытные данные можно объяснить, исходя из следующих соображений.

Во-первых, НАЗВАННЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПРОТЕКАЮТ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ, СОЗДАННЫХ НАЭЛЕКТРИЗОВАННЫМИ ТЕЛАМИ.

Во-вторых, ВЕДУТ СЕБЯ ТЕЛА ТАК, КАК ЕСЛИ БЫ НА НИХ ПОЯВЛЯЛИСЬ ИЛИ ИЗМЕНЯЛИСЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЗАРЯДЫ.

Возникает вопрос: ОТКУДА МОГУТ ВЗЯТЬСЯ НА ТЕЛАХ ЗАРЯДЫ, ЕСЛИ ЭТИ ТЕЛА НЕ СОПРИКАСАЮТСЯ НИ С КАКИМИ ДРУГИМИ ТЕЛАМИ?

Ответ очевиден: НИОТКУДА. Вероятно, под действием внешнего электрического поля что-то происходит с теми зарядами, которые имеются в любом теле. Можно предположить, что эти заряды перераспределяются внутри тела, создавая свое внутреннее электрическое поле.

Тогда, в результате сложения внутреннего и внешнего полей, возникает результирующее поле, отличное от первоначального значения внешнего поля.

Конкретно, этот механизм может выглядеть так. В проводниках имеются свободные заряды. В металлах - это электроны. В электрическом поле электроны, в силу своей легкоподвижности, будут двигаться до тех пор, пока не сравняются напряженности внешнего поля и поля заряженных частиц. Следовательно, следует ожидать, что внутри металла, или в области, ограниченной металлическим проводником, результирующее электрическое поле будет равно нулю.

Это предположение проверяется экспериментально.

Если в электрическое поле поместить частички, способные в нем двигаться, то частички начнут перемещаться вдоль линий напряженности.

Ограничив некоторую область пространства, содержащую частички, металлическим кольцом, можно наблюдать, что движение частиц полностью прекращается.

ПРОВОДНИКИ ДЕЙСТВИТЕЛЬНО ОБЛАДАЮТ ЭКРАНИРУЮЩИМ ДЕЙСТВИЕМ ПО ОТНОШЕНИЮ К ЭЛЕКТРИЧЕСКОМУ ПОЛЮ.

Несколько иначе должны обстоять дела с диэлектриками, попавшими в электрическое поле, поскольку в них нет свободных заряженных частиц.

Здесь механизм возникновения внутреннего поля может отличаться для диэлектриков, состоящих из полярных и неполярных молекул.

Если молекулы представляют собой образования со смещенными относительно их центров положительными и отрицательными зарядами, то во внешнем поле такие молекулы могут поворачиваться.

Если у молекул центры положительных и отрицательных зарядов совпадают, то они во внешнем поле могут деформироваться.

В обоих случаях внутри диэлектрика должно возникать поле, ослабляющее то поле, которое вызвало названные процессы.

Если в опыте с частичками, движущимися в электрическом поле, ограничить некоторую область пространства кольцом из диэлектрика, то можно наблюдать, что интенсивность движения частиц в этой области несколько уменьшается.

Кроме того, проведя подобные рассуждения, можно предсказать результат еще одного опыта.

Если к висящей на нити объемной гильзе, изготовленной из металлической фольги, поднести заряженную, например положительно, палочку, то гильза должна к палочке притянуться, так как электроны в поле, созданном палочкой, соберутся на том конце гильзы, который находится ближе к палочке.

После соприкосновения тел, часть электронов с гильзы перейдет на палочку. Гильза, став положительно заряженной, оттолкнется от палочки.

Но если палочку поднести очень близко к гильзе, то может наступить момент, когда сила притяжения оставшихся в гильзе отрицательных зарядов станет больше силы отталкивания положительных зарядов, так как последние должны находиться в гильзе на большем расстоянии от палочки, чем отрицательные заряды.

Эти предположения успешно подтверждаются экспериментально.

В целом, совпадение умозаключений с опытными данными говорит о правомерности рассуждений о поведении проводников и диэлектриков в электрическом поле.

 

ЭЛЕКТРОЕМКОСТЬ

 

Если шару, закрепленному на стержне электрометра, сообщить заряд, шар приобретает некоторый потенциал. О величине потенциала можно судить по отклонению стрелки электрометра.

Если увеличивать заряд шара в два, три и более раз, то во столько же раз будет изменяться и его потенциал.

Отношение же заряда шара к его потенциалу во всех случаях будет оставаться одинаковым.

Аналогичная закономерность будет наблюдаться и для шара другого радиуса, с той лишь разницей, что численно отношение заряда этого шара к его потенциалу будет иным, нежели для первого шара.

Все рассуждения, приведенные для шаров, справедливы для тел любой конфигурации.

Физическая величина, равная отношению заряда тела к его потенциалу и не зависящая ни от заряда, ни от потенциала, называется ЭЛЕКТРОЕМКОСТЬЮ.

Электроемкость показывает, какой заряд надо сообщить телу, чтобы его потенциал изменился на 1В.

Чтобы получить единицу электроемкости, надо в ее определяющее уравнение подставить единицы заряда - 1 кулон и потенциала 1 вольт.

Получаем: .

Эта единица имеет собственное наименование 1Ф (1фарад).

На практике обычно применяются дольные единицы фарада- микрофарад, нанофарад, пикофарад.

Система из двух проводников, расположенных на расстоянии, много меньшем их линейных размеров, называется КОНДЕНСАТОРОМ.

Под зарядом конденсатора понимают модуль заряда одной из его пластин.

В зависимости от конфигурации проводников, конденсаторы делятся на плоские, цилиндрические.

В зависимости от рода диэлектрика между облаками - на воздушные, бумажные, керамические.

Соответственно, бывают конденсаторы постоянной и переменной емкости.

ЭЛЕКТРОЕМКОСТЬ плоского конденсатора прямо пропорциональна площади одной из его пластин, диэлектрической проницаемости среды, заполняющей конденсатор и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами.

Коэффициент пропорциональности в формуле, выражающей зависимость электроемкости плоского конденсатора от его параметров - это ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПОСТОЯННАЯ. С ней мы уже встречались в законе Кулона.

Формула электроемкости плоского конденсатора позволяет вскрыть новый физический смысл этой величины.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПОСТОЯННАЯ - это физическая величина, численно равная электроемкости плоского воздушного конденсатора, с пластинами площадью 1 м², которые расположены на расстоянии 1 м друг от друга.

Чтобы получить единицу электрической постоянной, ее надо выразить из формулы электроемкости плоского конденсатора и в полученное выражение подставить единицы электроемкости - 1Ф, площади - 1 м², расстояния - 1 м.

Получаем:

Соединенные между собой последовательно или параллельно конденсаторы называются батареей конденсаторов.

При последовательном соединении Обратная величина электроемкости батареи последовательно соединенных конденсаторов равна сумме обратных величин электроемкостей конденсаторов, составляющих батарею.

электроЕмкость батареи параллельно соединенных конденсаторов равна сумме электроемкостей всех входящих в батарею конденсаторов.

Конденсатор способен долгое время удерживать на своих обкладках заряды, которые, протекая по электрическим цепям, могут совершать работу.

Следовательно, ЗАРЯЖЕННЫЙ КОНДЕНСАТОР ОБЛАДАЕТ ЭНЕРГИЕЙ. Эту энергию, в зависимости от условий поставленной задачи, можно выразить через электроемкость конденсатора, заряд на его обкладках или напряжение между ними в различных сочетаниях этих величин.

Конденсаторы находят широкое применение в электро- и радиотехнике. Использование конденсаторов основано на его основных свойствах.

Например, они могут выступать в качестве накопителей электроэнергии, разделителей постоянного и переменного токов.

В радиотехнике конденсаторы, как элементы единой системы, называемой КОЛЕБАТЕЛЬНЫМ КОНТУРОМ, используются для настройки ее на определенную волну.