Проводники. Диэлектрики.

Металлическая проволока имеет в своей структуре свободные электроны, которые могут перемещаться под действием внешней силы, поэтому все тела из металла называют проводниками. Стекло не имеет свободных зарядов, поэтому его называют диэлектриком.

Вся суть проводимости состоит в том, что у всех металлических атомов на внешнем энергетическом уровне находятся свободные электроны, которые меньше всего притягиваются к ядру. И если сила, которая действует на атом больше той силы, с которой внешние электроны притягиваются к ядру, то электроны начинают двигаться, создавая ток.

Кроме металлов, проводниками могут быть электролиты, которые разделяются на положительные и отрицательные ионы. Если же на такие структурные частицы подействовать током, то они начнут двигаться направленно и в некотором порядке. Стоит отметить, несмотря на то, что дистиллированная вода является диэлектриком, природную воду, имеющую растворы некоторых соединений и солей, можно считать проводником. Более того, из-за того, что в нашем организме растворены разнообразные микроэлементы, человеческое тело также является отличным проводником электричества.

Характеристики проводника:

ü значение поля в проводнике всегда равно нулю;

ü весь не скомпенсированный заряд проводника находится на поверхности;

ü силовые линии поля всегда направлены перпендикулярно к проводнику;

ü равность потенциалов в различных точках проводника равна нулю.

Диэлектрики - это материалы, не имеющие свободных носителей заряда. Они слабо проводят ток или совсем его не проводят. В таких элементах все структурные единицы атома крепко связаны друг с другом, поэтому ядерные силы удерживают свои электроны и ионы неподвижными, или позволяют колебаться вблизи ядра или решетки. Если на такие элементы начать действовать электрическим полем, то движения происходить не будет.

Характеристики диэлектриков:

ü напряженность внутри диэлектриков не обязательно должна быть нулевой;

ü заряд в некотором объеме диэлектрика может отличаться от нуля;

ü напряженность поля направлена под любым углом к диэлектрику;

ü каждая точка диэлектрика имеет различный потенциал.

Диэлектрическая проницаемость (e) - это основная характеристика, являющаяся общей для всех диэлектриков. Каждый диэлектрик имеет свою диэлектрическую проницаемость. Данная величина характеризуется способностью диэлектриков уменьшать напряженность поля. Внутри диэлектриков происходит возбуждение собственного электрического поля, которое направлено против действия внешнего поля. Таким образом, происходит своеобразное гашение поля. Определить диэлектрическую проницаемость можно воспользоваться специальной таблицей диэлектриков. А также диэлектрическую проницаемость среды можно определить по формуле: , где Е – модуль напряженности электрического поля.

Конденсатор.

Для определения понятия конденсатора, необходимо воспользоваться всеми знаниями по поводу проводников и диэлектриков, поскольку и те, и другие одновременно используются для изготовления конденсаторов.

Рассмотрим проводник, у которого имеется какой-то определенный потенциал j. Данный потенциал является пропорциональным к величине заряда проводника. Введем понятие электрической ёмкости проводника. Емкость - это физическая величина, позволяющая определить величину заряда, необходимую для изменения потенциала проводника на 1 В. Ёмкость измеряется в фарадах (Ф).

, где

С – электроемкость уединенного проводника,

q – модуль заряда проводника,

j - потенциал проводника.

Если рассматривать некоторый объемный шар в виде проводника, то его электроёмкость можно определить по следующей формуле: , где e₀ – 8,854×10^-12 Кл²/(Н×м²) – электрическая постоянная. Емкость сферического проводника зависит исключительно от внешнего диэлектрика, а также от радиуса сферы, то есть её размера. Чем больше сфера, тем больше её емкость. Самым главным для нас сферическим проводником является Земля.

Самым простым примером для исследования конденсаторов являются плоские конденсаторы. Структура плоского конденсатора достаточно проста. Он состоит из двух металлических плоскостей (обкладок), которые параллельно расположены друг к другу, и располагаются на некотором расстоянии. Между данными пластинами имеется диэлектрик.

Самым простым примером плоского конденсатора является тот, у которого в виде диэлектрика воздух, то есть диэлектрическая проницаемость ɛ = 1. Обе обкладки имеют противоположный заряд -q, +q. Следует отметить, что поле в конденсаторе показывается линиями, выходящими из положительно заряженной пластины, и входящими в отрицательно заряженную пластину. Для определения его ёмкости следует воспользоваться следующей формулой: . Емкость зависит исключительно от геометрических размеров конденсатора, а также от диэлектрика между пластинами. Схематически конденсатор изображают следующим образом:

Конденсатор характеризуется способностью накапливать некоторое количество энергии, которую со временем может повторно использовать. Для определения энергии, которую может накапливать конденсатор, следует воспользоваться формулой: . Энергетическая характеристика конденсатора является составляющей энергии поля зарядов, находящихся внутри него. Энергия напрямую зависит от характеристики конденсатора и его заряда.

В цепи может использоваться несколько конденсаторов, которые соединены параллельно или последовательно. Напомним, что при последовательном соединении концы одного проводника подключаются к началу другого, а при параллельном соединении начало всех проводников соединяется в одном узле, а конец - в другом. Любую сложную схему можно свести к нескольким простым.

При параллельном соединении конденсаторов для нахождения общей ёмкости цепи из конденсаторов, емкость каждого из них складывается с остальными. То есть при параллельном подключении проводников общая ёмкость увеличивается: . Напряжение на каждой ветке будет одинаково: U=U₁=U₂=U₃. Для нахождения общего заряда заряды каждого конденсатора складываются: q=q₁+q₂+q₃.

При последовательном соединении общая ёмкость конденсаторов уменьшается: . При этом напряжение цепи равно сумме напряжений на конденсаторах, а величина заряда на всех обкладках одинакова: U=U₁+U₂+U₃ , q=q₁=q₂=q₃.