Вещество в электростатическом поле
С точки зрения электричества, вещество делится на проводники и диэлектрики1). Проводники – это тела, в которых имеются свободные носители заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри этого тела (например, электроны в металле, ионы в жидкости или газе). Диэлектрики – это тела, в которых нет свободных носителей заряда, то есть нет заряженных частиц, которые могли бы перемещаться в пределах этого диэлектрика. Поведение этих тел в электрическом поле различно, и сейчас мы эти различия рассмотрим.
Пример. Пусть мы имеем заряженный шар с зарядом +Q, помещённый в однородную бесконечную среду с диэлектрической проницаемостью
. Какое поле будет существовать внутри этого диэлектрика?
Исходим из уравнения
. Окружаем этот заряд сферой радиуса r. Вектор
должен быть направлен по радиусу, это следствие сферической симметрии.
, отсюда мы получаем:
;
.
Когда мы решали такую проблему для пустоты, напряжённость поля равнялась, когда шар поместили в диэлектрик, напряжённость поля в раз меньше, чем в пустоте. Легко понять, почему это получается. Когда заряд помещают в диэлектрик, то за счёт поляризации диэлектрика заряд +Q обволакивается отрицательным зарядом -q’, который выступает на поверхности шара.
Результирующий заряд оказывается меньше, чем Q, однако, что существенно, индукция определяется только настоящим зарядом. Заряд, проступающий на диэлектрике, не влияет на индукцию (этот вектор специально так введён). На напряжённость поля влияют все заряды, в том числе и -q’.
Плоский конденсатор.
Имеется в виду, что расстояние между пластинами много меньше
характерного линейного размера,
, S – площадь пластин. Пластины имеют большую площадь, зазор
маленький, в этом случае силовые линии поля однородны и внешние заряды на него
не влияют. Потенциальные и соленоидальные
векторные поля Ротор векторного поля Напряжённость поля равняется
, где
. Мы знаем формулу для пластины с поверхностной плотностью
:
, между пластинами поля складываются,
снаружи уничтожаются. Так как поле однородное, разность потенциалов равняется:
, где d – расстояние между пластинами.
Тогда мы получим, что
. Действительно, обнаружили, что разность потенциалов между
пластинами – линейная функция заряда, это частное подтверждение общего правила.
А коэффициент пропорциональности связан с ёмкостью:
.
Если объём конденсатора заполнен начинкой из диэлектрика, то будет более общая
формула:
А
|
||