Общая Физика (лекции по физике за II семестр СПбГЭТУ "ЛЭТИ")
q = rpr2l
Ф = E2prl = (1/e0) rpr2l
E = (rr)/(2e0)
Если есть e1 и e2, то e0*e1(2)
E
1
2
3
r
1 - e1 > e2;
2 - e1 = e2;
3 - e1 < e2.
14. Поле бесконечного заряженного шара (сферы):
Заряд с поверхностной плотностью g распределен по сфере
радиуса R:
Е
|E| - const;
ФЕ = SoòEndS = E oòdS = E 4pr2 = = (1/e0)
g4pR2
q = g 4pR2
Eнаружн = (gR2)/(e0r2) = q/(4pe0r2)
Eвнутр = 0
E
Er
~1/r
r
R
Заряд с поверхностной плотностью g распределен по шару
радиуса R:
Ф = Е 4pr2 = (r/e0) 4/3 pR3
qнаружн = rV = r 4/3 pR3
Eнаружн = (gR2)/(e0r2) = q/(4pe0r2)
Eвнутр = (rr)/(3e0e1)
E
1
Er
2
r
R
Шар с r(r):
Eнаружн = q/(4pe0e2r2)
dq = r(r’) 4pr’
dr’
r’ –
толщина внутреннего слоя;
q = 0òRr(r’) 4pr’2 dr’
Eнаружн = (4p 0òRr(r’) 4pr’2 dr’)/ /(4pe0e2r2); r
Eвнутр = (4p 0òr(r’) 4pr’2 dr’)/ /(4pe0e1r2);
Шар с
полостью:
Eнаружн = (4p R1òR2r(r’) 4pr’2 dr’)/ /(4pe0e2r2); r
Eвнутр = (4p R1òr(r’) 4pr’2
dr’)/ /(4pe0e1r2).
15. Потенциал (j):
]$ поле, создаваемое неподвижным
точечным зарядом q. ]$ точечный заряд q’, на который действует сила:
F = 1/(4pe0)*(qq’)/r2
Работа,
совершаемая над зарядом q’ при перемещении его из одной
точки в другую, не зависит от пути
A12 = 1ò2 F(r)dr = (qq’)/(4pe0)r1òr2dr/r2.
Иначе ее
можно представить, как убыль потенциальной энергии:
A12 = Wp1
– Wp2.
При
сопоставлении формул получаем, что Wp = 1/(4pe0)*(qq’)/r.
Для
исследования поля воспользуемся двумя пробными зарядами qПР’ и qПР’’. Очевидно, что в одной и той же точке заряды будут обладать разной
энергией Wp’ и Wp’’, но соотношение Wp/qПР будет одинаковым.
j = Wp/qПР = 1/(4pe0)*q/r называется потенциалом поля в данной точке и, как напряженность,
используется для описания электрического поля.
]$ поле, создаваемое системой из
N точечных зарядов. Работа, совершаемая силами этого поля
над зарядом q’, будет равна алгебраической сумме работ,
совершаемых каждым из qN над q’ в отдельности:
A = i = 1åNAi, где Ai = = 1/(4pe0)*(qiq’/ri1 -
qiq’/ri2), где ri1 - расстояние от заряда qi до
начального положения заряда q’, а ri2 – расстояние от qi до конечного положения заряда q’.
Следовательно
Wp заряда q’ в поле системы зарядов
равна:
Wp = 1/(4pe0)*i
= 1åN(qiq’)/ri
, то
j = 1/(4pe0)*i =
1åN(qi/ri),
следовательно потенциал поля, создаваемого системой зарядов, равен
алгебраической сумме потенциалов, создаваемых каждым из зарядов в отдельности.
Заряд q, находящийся в точке с потенциалом j обладает энергией
Wp = qj, то работа сил поля
A12 = Wp1
–Wp2 = q(j1 - j2).
Если заряд
из точки с потенциалом j удалять в бесконечность, то A¥ = qj, то j численно равен работе, которую совершают силы поля над единичным
положительным зарядом при удалении его из данной точки на бесконечность.
16. Связь между напряженностью и потенциалом:
Электрическое
поле можно описать с помощью векторной величины Е и скалярной величины j.
Для
заряженной величины, находящейся в электрическом поле:
F = qE, Wp = qj.
Можно
написать, что
E = - ¶j/¶x - ¶j/¶y - ¶j/¶z, т.е.
при проекции на оси:
Ex = -¶j/¶x, Ey = -¶j/¶y, EZ = -¶j/¶z, аналогично проекция вектора
Е на произвольное направление l: Еl = = -¶j/¶l, т.е. скорости убывания
потенциала при перемещении вдоль направления l.
j = 1/(4pe0)*q/r = /в трехмерном пространстве/ = 1/(4pe0)*q/Ö(x2+y2+z2).
Частные
производные этих функций равны:
¶j/¶x = -q/(4pe0)*x/r3;
¶j/¶y = -q/(4pe0)*y/r3;
¶j/¶z = -q/(4pe0)*z/r3.
При подстановке
получаем:
E = 1/(4pe0)*q/r2.
Работа, по
перемещению q из точки 1 в точку 2, может быть вычислена,
как A12 = 1ò2qEdl или A12 = q(j1
- j2), приравняв
их, получим j1 - j2 = 1ò2Edl. При обходе по замкнутому контуру j1 = j2, то
получим: oò Edl = 0.
17. Эквипотенциальные поверхности:
Воображаемая
поверхность, все точки которой имеют одинаковый потенциал, называется
эквипотенциальной. Ее уравнение имеет вид j(x, y, z) = const.
При
перемещении по эквипотенциальной поверхности на отрезок dl,
dj = 0.
Следовательно, касательная к поверхности, составляющая вектор Е, равна 0, т.е.
вектор Е направлен по нормали к эквипотенциальной поверхности. Т.е. линии
напряженности в каждой точке перпендикулярны к эквипотенциальным поверхностям.
Эквипотенциальную
поверхность можно провести через любую точку поля и их можно построить
бесконечное множество. Их проводят таким образом, чтобы разность потенциалов
для двух соседних поверхностей была одинаковой (Dj = const). Тогда по густоте эквипотенциальных
поверхностей можно судить о величине напряженности поля.
В
соответствии с характером зависимости Е от r,
эквипотенциальные поверхности при приближении к заряду становятся гуще. Для
однородного поля эквипотенциальные поверхности представляют собой систему
равноотстоящих друг от друга плоскостей, перпендикулярных к направлению поля.
18. Проводники в электрическом поле:
Проводники
состоят из связанных зарядов равномерно распределенных по объему проводника.
Электроны проводника находятся в тепловом хаотическом движении.
]$ поле с
проводником:
() 1
- + Е
- +
- + Е
- +() 2
- +
Е
- +
-- + Е
- +
+
Е
-
+
Напряженность
внутри проводника равна 0, т.к. внутри проводника складывается некая
суперпозиция напряженностей.
Если j1 - j2 = 0, то поверхность
проводника эквипотенциальна, а линии напряженности всегда перпендикулярны
эквипотенциальной поверхности.
Возьмем
произвольную точку плоскости проводника.
t
j
Возьмем
касательную к элементу поверхности t.
dj/dt = -Et,
(где dj/dt = 0) вектор Е перпендикулярен
плоскости в данной точке.
q
Е = 0
E ~ g
(g - поверхностная плотность)
Заряд
распределен по поверхности, Е = 0, распределение неравномерно, максимальную
плотность заряд имеет в местах максимальной кривизны.
Обозначим «степень
кривизны» за С, то С = 1/R.
E ~ g ~ C ~ 1/R.
19. Электроемкость, конденсаторы:
Электроемкость
– коэффициент пропорциональности между зарядом проводника и потенциалом,
который заряд приобретает. Зависит от формы проводника и окружающих его тел.
С = q/j.
Электроемкости
уединенных проводников (на него ни что не влияет):
Сфера: q
j = 1/(4pe0)*q/R
C = q/j = 4pe0R
R j
Если
поместить около сферы другой проводник, то С = Dq/Dj.
-Dq
R
Dq
E+
X
E-
+Dq
l
R
Dj -
разность потенциалов, возникшая между проводниками.
Если l>>R, то заряд по поверхности каждой сферы
распределяется равномерно.
Dj
= j1 - j2
j1 - j2
= Ròl-R Edx
E = E+ + E- =
k*Dq/x2 + k*Dq/(l-x)2
Конденсаторы:
С = 4pe0R
Плоский:
q+
q- C = Dq/(j1 - j2) =
= (Dqe0S)/(Dqd) =
=
e0S/d
j1 - j2
= E*d =
= gd/e
= (Dqd)/(e0S)
j1 j2
Сферический:
R1
R2
+q
-q
j1 - j2 = R1òR2E+dr
= = Dq/(4pe0)
* R1òR2 (1/r2)dr
= = Dq/(4pe0)*(1/R1
– 1/R2).
C = (4pe0eR1R2)/(R2-R1).
20. Электрическое поле в диэлектриках:
При
помещении в поле диэлектрика в поле происходит изменение. Сам диэлектрик
реагирует на поле иначе, чем проводник.
Заряды,
входящие в состав молекул диэлектрика, называются связанными. Они не могут
покидать пределы молекулы, в которую они входят.
Заряды не
входящие как в состав молекул диэлектрика, так и в сам диэлектрик называются
сторонними.
Поле в
диэлектрике является суперпозицией полей сторонних и связанных зарядов и
называется микроскопическим (или истинным).
ЕМИКРО
= ЕСТОР + ЕСВЯЗ
Микроскопическое
поле в пределах диэлектрика непостоянно, поэтому
Е0
= <ЕМИКРО> = <ЕСТОР> + <ЕСВЯЗ>
<ЕСВЯЗ>
= E’
Макроскопическое
поле:
E = E0 + E’
При
отсутствии диэлектрика макроскопическое поле равно
Е = Е0
= <ЕСТОР>.
Если
сторонние заряды неподвижны, то поле ЕМИКРО обладает теми же
свойствами, как электростатическое поле в вакууме.
При определении суммарного действия всех электронов имеет значение и
центр масс отрицательных зарядов.
®
q- l q+
® ®
r-
r+
®
®
r- = (i = 1åNriqi-)/( i = 1åNqi-)
®
r+ = (j = 1åNrjqj+)/( j = 1åNqj+)
Полярные и неполярные молекулы во
внешнем поле приводят развороту диполя в направлении поля. Неполярные молекулы
приобретают электрический момент. Они поляризуются, от чего возникает дипольный
момент, направленный вдоль внешнего поля. Молекула ведет себя как упругий
диполь.
21. Диполь в однородном и неоднородном электрических полях:
В однородном поле:
®
E
l +q
Fk
®
M a
Fk (X)-q
M = Fk*l*sina = q*E*l*sina = = P*E*sina, где P – дипольный момент.
®
® ®
M = [P x E]
®
M – направлен «от нас»
dA = Mda =
P*E*sina da
dA = dW ® ®
W = -P E cosa
= -(P E)*
* - cкалярное
произведение.
В неоднородном поле:
® ®
+q F+ Е
l
-q DX
®
F-
DF = (F+) – (F-) = q*DE
= = q*¶E/¶X*l*cosa = P*¶E/¶X*cosa = = /кроме вращающего момента на диполь действует сила,
зависящая от угла a, если угол острый, то диполь «втягивается» внутрь поля/ =
= ¶(PEcosa)/¶X = -¶W/¶X.
22. Поляризация диэлектриков:
®
Р – параметр, описывающий состояние
диэлектрика в электрическом поле.
®
®
P = (i = 1åNPi)/DV
(-+)(-+)
(-+)(-+)
(-+)(-+)
(-+)(-+)
(-+)(-+)
(-+)(-+)
(-+)(-+)
(-+)(-+)
(-+)(-+) (-+)(-+) ®
(-+)(-+) (-+)(-+) Е
(-+)(-+)
(-+)(-+)
(-+)(-+)
(-+)(-+)
(-+)(-+) (-+)(-+)
На поверхности возникают связанные
заряды с плотностью gСВЯЗ.
® ®
P = He0E
H – коэффициент диэлектрической
восприимчивости;
Е – результирующий вектор.
E
DS l
® n
P
n
d
-g +g
P*DV – суммарный дипольный момент
молекул внутри цилиндра.
DV
= DS*l*cosa
P*DV
= P*DS*l*cosa = q*l
q = gСВЯЗ*DS
P*DS*cosa*l = gСВЯЗ*DS*l
P*cosa = gСВЯЗ
gСВЯЗ = He0E, где Е –
результирующее поле в диэлектрике.
® ® ®
Е = Е0 + Е’
Внешнее поле должно ослабляться:
® ® ® ® ®
Д = e0Е + Р = e0E + He0E =
® ®
= (1 + H)e0E
= ee0E.
23. Поле внутри плоской диэлектрической пластины:
+g0 -g0
Е0
- +
- +
- +
g0 – свободные перемещающиеся заряды,
создающие Е0 (вектор);
Число силовых линий уменьшается во
столько раз, какое значение имеет e.
Е0 = g0/e0
Е = Е0 – Е’ = g0/e0 - gСВЯЗ/e0 = = 1/e0(g0 - gСВЯЗ);
E = E0 – HE ® E*(1 +H) = E0 ® E = E0/(1+H) = E0/e;
Д = e0eE = e0E, т.е. вектор индукции внутри не изменяется, плотность силовых линий
остается постоянной.
E = 1/e0*(g0 - gСВЯЗ) = E0/e =g0/(e0e);
gCВЯЗ = g0*(e - 1)/e.
25. Сегнетоэлектрики:
Существуют
группы веществ, которые могут обладать самопроизвольной поляризованностью в
отсутствие внешнего поля. Подобные вещества получили название
сегнетоэлектриков.
Впервые
свойства сегнетоэлектриков было изучено Курчатовым.
Отличия
сегнетоэлектриков от остальных диэлектриков:
1)
Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков измеряется тысячами, а у
диэлектриков – десятками.
2)
Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков зависит от напряженности поля.
3) Сегнетоэлектрики
обладают явлением гистерезиса (запаздывания):
P
1
Pr 2
3
E
EC
При
изменении поля значение поляризованности Р и смещения D
отстают от напряженности поля Е, в результате чего P и D зависят не только от текущего значения Е, но и от проедшествующего.
Это явление называется гистерезисом.
На участке
(2), при обращении Е в ноль, сохраняется остаточная поляризованность Pr. Она становится равной нулю только под действием
противоположнонаправленного поля ЕС, называемой коэрцетивной силой.
Сегнетоэлектриками
могут быть только кристаллические вещества с отсутствующим центром симметрии.
У каждого
сегнетоэлектрика $ темпиратура, называемая точкой Кюри, при которой он утрачивает свои
свойства и становиться обычным диэлектриком.
26. Поведение векторов напряженности и индукции на
границе двух сред:
Et1
e1
®
® n1
En1 a1
dh
Et2
a2 ® ®
En2 n2
e2
Выделим на
границе сред тонкую «шайюбу» толщиной dh ® 0 и площадью S. Подсчитаем поток индукции Д через
выделенный объем.
Дn2*S*cos0o
+ Дn1*S*cos180o + ФБОК = 0, где Ф = 0, т.к. dh ® 0;
Дn2*S
- Дn1*S = 0 ® Дn2 = Дn1 ®
® e0e2En2 = e0e1En1
® En2/En1
= e1/e2.
Дn – неприрывна, а Еn терпит
разрыв. ®
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
|