Проводник во внешнем электрическом поле Постоянный электрический ток Ускорители заряженных частиц Магнитные свойства вещества Уравнения Максвела в интегральной и дифференциальной форме Электромагнитные волны

Курс лекций по физике

Интерференция света. Когерентность и монохроматичность световых волн. Время и длина когерентности. Расчет интерференционной картины от двух когерентных волн. Оптическая длина пути. Интерференция света в тонких пленках. Интерферометры. Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Прямолинейное распространение света. Дифракция Френеля на круглом отверстии. Дифракция Фраунгофера на одной щели и на решетке. Разрешающая способность оптических приборов.

Проводник во внешнем электрическом поле, электростатическая индукция

  При внесении незаряженного проводника в электрическое поле носители заряда приходят в движение: положительные в направлении вектора Е, отрицательные - в противоположную сторону. В результате у концов проводника возникают заряды противоположного знака, называемые индуцированными зарядами (рис.18.4, пунктиром показаны линии напряженности внешнего поля).

Поле этих зарядов направлено противоположно внешнему полю. Таким образом, накапливание зарядов у концов проводника приводит к ослаблению в нем поля. Перераспределение носителей заряда происходит до тех пор, пока не будут выполнены условия (18.1) и (18.2), т. е. пока напряженность поля внутри проводника не станет равной нулю, а линии напряженности вне проводника перпендикулярными к его поверхности (рис.18.4).

 Рис. 18.4. Электростатическая индукция в проводнике.

Следовательно, нейтральный проводник, внесенный в электрическое поле (рис.18.4,а), разрывает часть линий на отрицательных индуцированных зарядах и вновь начинаются на положительных (рис.18.4,б).

Индуцированные заряды распределяются по внешней поверхности проводника. Если внутри проводника имеется полость, то при равновесном распределений индуцированных зарядов поле внутри нее также обращается в нуль. На этом основывается электростатическая защита. Когда какой-то прибор хотят защитить от воздействия внешних полей, его окружают проводящим футляром (экраном). Внешнее поле компенсируется внутри экрана возникающими на его поверхности индуцированными зарядами. Подобный экран действует хорошо и в том случае, если его сделать не сплошным, а в виде густой сетки.

Электроемкость уединенного проводника

Рассмотрим проводник, находящийся в однородной среде вдали от заряженных тел и других проводников. Такой проводник назовем уединенным. Ранее было показано, что при сообщении уединенному проводнику некоторого количества электричества заряды распределяются по его поверхности с различной поверхностной плотностью s. Однако характер этого распределения за­висит не от его общего заряда q, а только от формы проводника. Каждая новая часть зарядов распределяется по поверхности проводника подобно предыдущей. Таким образом, при увеличении в п раз заряда q проводника во столько же раз возрастает и s в любой точке его поверхности. Иными словами s прямо пропорциональна q, т. е.

s = k×q, (18.4)

где k—некоторая функция координат рассматриваемой точки поверхности.

Разобьем поверхность S проводника на бесконечно малые элементы dS, несущие заряды dq= s • dS. Каждый такой заряд можно считать точечным и равным . Потенциал dj поля заряда s • dS в точке, отстоящей от него на расстоянии r, равен

Интегрируя это выражение по всей замкнутой поверхности S заряженного проводника, находим потенциал в произвольной точке его электростатического поля:

  (18.5)

Заменяя s по формуле (18.4) и вынося q за знак интеграла, получаем:

 . (18.6)

Для точки, лежащей на поверхности проводника, r является функцией координат этой точки и элемента dS. В этом случае интеграл, стоящий в правой части уравнения (18.6), зависит только от размеров и формы поверхности S проводника. Выбор точки на поверхности S не играет роли, так как для всех точек проводника j = const и значения одинаковы.

В формулах (18.5) и (18.6) принято, что потенциал незаряженного уединенного проводника (q = 0 и s = 0) равен нулю, так как предполагается отсутствие всех внешних электрических полей.

Из формулы (18.6) видно, что потенциал уединенного проводника прямо пропорционален его заряду. Отношение q к j для данного проводника называется его электрической емкостью (электроемкостью, или просто емкостью) С, т. е.

 (18.7)

или

  (18.8)

Электроемкость уединенного проводника численно равна электрическому заряду, который нужно сообщить этому проводнику для того, чтобы потенциал проводника изменился на единицу.

Электроемкость уединенного проводника зависит от его формы и размеров (интеграл в (18.8)), причем геометрически подобные проводники обладают емкостями, прямо пропорциональными их линейным размерам. Это связано с тем, что на геометрически подобных проводниках распределение зарядов тоже будет подобным, а расстояния от аналогичных зарядов до соответствующих точек поля прямо пропорциональны линейным размерам проводников.

Из (18.8) следует, что электроемкость прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости среды.

Ни от материала проводника, ни от его агрегатного состояния, ни от формы и размеров возможных полостей внутри проводника его электроемкость не зависит. Это связано с тем, что избыточные заряды распределены только на внешней поверхности проводника. Следует заметить, что С также не зависит ни от заряда проводника, ни от его потенциала. Это совершенно не противоречит соотношению (18.7), которое лишь показывает, что потенциал уединенного проводника прямо пропорционален его заряду и обратно пропорционален емкости.

Прямым  пьезоэлектрическим эффектом называется поляризация диэлектриков, обусловленная их механической деформацией. Пьезоэффект наблюдается у кварца, сегнетовой соли, метатитаната бария, турмалина и некоторых других кристаллов с низкой симметрией строения.

Распределение сторонних зарядов в проводнике. Проводником называется тело, в котором носители заряда способны перемещаться под действием как угодно малой силы. Здесь мы будем рассматривать лишь твердые металлические проводники. Речь будет идти о движении избыточных электронов (их еще называют «сторонними») и равновесных валентных электронов.

Электроемкость уединенного проводящего шара. Потенциал уединенного проводящего шара радиусом R, несущего заряд q и находящегося в однородной среде с диэлектрической проницаемостью e, был рассчитан в соответствующем приложении теоремы Остроградского – Гаусса и равен:

Емкость плоского конденсатора. Плоский конденсатор состоят из двух параллельных металлических пластин площадью S каждая, расположенных на близком расстоянии d одна от другой и несущих заряды + q и - q. Если линейные размеры пластин велики по сравнению с расстоянием d, то электростатическое поле между пластинами можно считать эквивалентным полю между двумя бесконечными плоскостями, заряженными разноименно с численно равными поверхностными плотностями электричества +s и - s.

Энергия заряженного проводника Рассмотрим процесс заряжания уединенного проводника с точки зрения затрат энергии на этот процесс. Перенос из бесконечности на поверхность проводника первой порции заряда Dq1 не сопровождается совершением работы против сил электрического поля, так как потенциал проводника первоначально равен нулю

Тепловое излучение. Абсолютно черное тело. Закон Кирхгофа. Распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Квантовая гипотеза и формула Планка. Закон Стефана-Больцмана. Законы Вина. Оптическая пирометрия. Внешний фотоэффект и его законы. Фотоны. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Многофотонный фотоэффект. Эффект Комптона и его теория. Давление света. Опыты Лебедева. Квантовое и волновое объяснение давления света. Диалектическое единство корпускулярных и волновых свойств электромагнитного излучения.
Закон Кулона электростатическая индукция