- •Учебное пособие для студентов технических университетов
- •1. Вводные сведения
- •1.1. Предсказание будущего - задача науки
- •1.2. Предмет физики
- •1.3. Физическая модель
- •1.4. Язык физики?
- •1.5. Экспериментальная и теоретическая физика
- •Физические основы механики
- •3.1.3. Абсолютно твердое тело
- •3.2. Тело отсчета
- •3.3. Система отсчета
- •3.4. Положение материальной точки в пространстве
- •3.10.1. Нормальное и тангенциальное ускорение
- •4. Динамика материальной точки
- •4.6.1. Система си (System international)
- •4.6.1.1. Размерность силы
- •5.3. Работа
- •5.6.1. Консервативность силы тяжести
- •5.6.2. Неконсервативность силы трения
- •5.7. Потенциальная энергия может быть введена только для поля консервативных сил
- •5.8.Закон сохранения механической энергии
- •6. Кинематика вращательного движения
- •6.1. Поступательное и вращательное движение
- •6.2. Псевдовектор бесконечно малого поворота
- •6.5. Связь линейной скорости материальной точки твердого тела и угловой скорости
- •8. Элементы специальной теории относительности
- •8.2. Принцип относительности Галилея:
- •8.3. Неудовлетворительность механики Ньютона при больших скоростях
- •8.5.1. Вывод преобразований Лоренца
- •8.6. Следствия из преобразований Лоренца
- •9.3. Электрическое поле
- •9.3.6. Принцип суперпозиции электрических полей
- •9.3.7. Напряженность поля точечного заряда
- •9.3.8. Линии напряженности
- •9.3.9. Линии напряженности точечных зарядов
- •9.4.4.1. Поле равномерно заряженной бесконечной плоскости
- •9.4.4.3. Поле однородно заряженного бесконечного цилиндра
- •9.9. Проводник в электрическом поле
- •9.10. Электроемкость уединенного проводника
- •9.11. Электроемкость конденсатора
- •9.12. Энергия электрического поля
- •9.12.1. Плотность энергии электрического поля в вакууме
- •9.13. Электрическое поле в диэлектрике
- •9.13.1. Диэлектрик?
- •9.13.1.1. Два типа диэлектриков - полярные и неполярные
- •9.13.2. Поляризованность диэлектрика (вектор поляризации) - это дипольный момент единицы объема:
- •9.13.4.1. Плотность энергии электрического поля в диэлектрике
- •10.4. Закон Ома для участка цепи
- •10.5. Закон Ома в дифференциальной форме
- •10.6. Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме
- •Магнетизм. Уравнения Максвелла
- •11.5.6. Магнитное поле тороида
- •11.6. Закон Ампера
- •11.7. Сила Лоренца - это сила, действующая со стороны магнитного поля на движущийся в нем заряд
- •11.7.1. Движение заряженной частицы в однородном магнитном поле
- •11.8. Рамка с током в магнитном поле
- •11.11.1. Потокосцепление
- •11.11.2. Индуктивность соленоида
- •11.11.3. Энергия магнитного поля
- •12. Магнитное поле в веществе
- •12.2. Классификация магнетиков
- •13. Уравнения Максвелла
- •13.3. Система уравнений Максвелла в интегральной форме
- •13.4. Система уравнений Максвелла в дифференциальной форме
9.10. Электроемкость уединенного проводника
Заряд q1 создаЈт на уединЈнном проводнике потенциал φ1. |
Заряд q2= 2q1 создаЈт на том же проводнике потенциал φ2= 2φ1. |
Значит,
.
Таким образом:
|
|
- постоянная для данного проводника величена. |
С - электроемкость уединенного проводника.
.
Единица емкости - фарада, Ф.
9.11. Электроемкость конденсатора
Конденсатор - это два проводника, обычно плоской цилиндрической или сферической формы, расположенные на небольшом расстоянии друг от друга. Проводники, обкладки конденсатора , заряжают разноименными зарядами, равными по абсолютной величине:
.
Емкость конденсатора:
.
9.11.1. Электроемкость плоского конденсатора Плоский конденсатор - это две плоские пластины расположенные на небольшом расстоянии друг от друга. Поле плоского конденсатора было рассмотрено в разделе (9.4.4.2.)
|
По (9.7): по(9.4.4.2): по(9.4.4.1): |
Из (9.11):
9.12. Энергия электрического поля
(9.4.4.1) |
Рассмотрим движение пластины с зарядом q- в поле пластины с зарядом q+. |
q+ = q- = q, . Напряженность поля пластины q+:
(9.4.4.2).
Работа по перемещению пластины q-(5.3.1):
. См. (9.3.5)
Поле в объеме ΔV исчезло, значит работа A12 совершена за счет убыли энергии поля:
.
В единице объема поля запасена энергия:
,
где
.
9.12.1. Плотность энергии электрического поля в вакууме
В случае неоднородного поля:
,
и энергия электрического поля в объеме V:
.
9.12.2. Энергия заряженного конденсатора Энергия электрического поля плоского конденсатора, как следует из (9.12), равна
,
здесь V=Sd - объем конденсатора. Из (9.7) для однородного поля следует, что
,
здесь разность потенциалов φ1 - φ2 обозначена буквой U. В результате для энергии электрического поля получим:
.
Эта формула верна для конденсаторов любой формы. Таким образом, энергия заряженного конденсатора:
.
здесь
С - емкость конденсатора, U - разность потенциалов на его обкладках.
9.13. Электрическое поле в диэлектрике
9.13.1. Диэлектрик?
Заряды, входящие в состав молекул диэлектрика, прочно связаны друг с другом и под действием внешнего поля могут лишь немного смещаться в противоположные стороны.
9.13.1.1. Два типа диэлектриков - полярные и неполярные
Полярные - центры "+" заряда и центры "-" заряда смещены, например, в молекуле воды H2O. Модель полярного диэлектрика жесткий диполь:
Дипольный момент молекулы:
.
Неполярные диэлектрики - центры распределения "+" и "-" зарядов совпадают, молекула (атом) симметричны. Например, атом водорода. У него в отсутствии поля центр распределения отрицательного заряда совпадает с положением положительного заряда. При включении поля положительный заряд смещается в направлении поля, отрицательный - против поля:
модель неполярного диэлектрика - упругий диполь: |
|
Дипольный момент этого диполя пропорционален электрическому полю
.
9.13.2. Поляризованность диэлектрика (вектор поляризации) - это дипольный момент единицы объема:
.
- дипольный момент одной молекулы. У диэлектриков любого типа
.
α - диэлектрическая восприимчивость (безразмерная величина).
9.13.3. Пластина диэлектрика в плоском конденсаторе На следующих рисунках изображен плоский конденсатор без диэлектрика (рис. а) и с диэлектриком (рис. б). В конденсаторе без диэлектрика поле E0 создается свободными зарядами, т. е. зарядами, находящимися на пластинах конденсатора. В конденсаторе с диэлектриком поле E в объеме, занятом диэлектриком, является разностью двух полей: поля свободных зарядов (E0) и поля связанных зарядов (E'):
|
|
Поле в диэлектрике
.
Выразим σ' через вектор поляризации (9.13.2)
.
- дипольный момент пластины диэлектрика, - объем пластины. Тогда
.
С другой стороны (9.13.2),
.
В результате
,
откуда: поле в однородном и изотропном диэлектрике
в 1 + α раз меньше, чем поле в вакууме Е0. Обозначим
|
- диэлектрическая проницаемость. |
В однородном изотропном диэлектрике, свойства которого не зависят от направления в пространстве (изотропность), электрическое поле ослабляется в ε раз:
.
Эта формула справедлива для аморфных, некристаллических диэлектриков. В кристаллах ситуация значительно сложнее.
9.13.4. Вектор электрического смещения Для удобства описания поля в диэлектрике вводят вспомогательный вектор - вектор электрического смещения
.