Плоский конденсатор, состоящий из круглых пластин радиусом 10см, разделен с диэлектриком из бумаги, пропитанной парафином. Толщина диэлектрика 1 мм, заряжен конденсатор до 2,4 кВ. Найти емкость конденсатора, заряд на пластинах и энергию электрического поля.

Показать ответ

Ответ:

SelesTia3

17.10.2020 04:18

1. Структура электростатического поля
В силу симметрии задачи, электростатическое поле является центрально-симметричны. т.е. $\overline E = E(r) \overline r_0$
r₀ - единичный радиус-вектор от заряда к произвольной исследуемой точке пространства.
Задача и её решение инвариантна к повороту (как картинку "ни крути" вокруг заряда, условие задачи и её решение не изменится).

2. Поле при отсутствии шара
Когда у нас есть только точечный заряд модуль напряженности электростатического поля $E(r) = k\frac{Q}{r^2}$ .

Потенциал электростатического поля связан с его напряженностью уравнением:
$\phi_1-\phi_2 = \int\limits^{2}_{1} {E} \, dl$
Интегрирование ведётся по произвольному пути между точками 1 и 2.

Отступление: если домножить уравнение на пробный заряд, то получим определение потенциальной энергии. Правый ингтеграл в этом случае будет работой, совершенной полем над пробным зарядом.

В нашем случае удобно интегрировать вдоль радиальных линий
$\phi_1-\phi_2 = \int\limits^{r_2}_{r_1} {E} \, dr$

Замечание: Потенциал определяется всегда с точностью до аддитивной постоянной, поэтому во всех задачах всегда выбирается, так называемое, условие нормировки. В разных задачах оно выбирается по разному, но в задачах данного типа принято брать потенциал бесконечно удаленной точки равным нулю $\phi_\infty = 0$

$\phi_1-\phi_\infty = \phi_1 = \int\limits^{\infty}_{r_1} {E} \, dr$

Подставим в эту формулу найденное поле:
$\phi = \int\limits^{\infty}_{R} {k \frac{Q}{r^2} } \, dr = kQ\int\limits^{\infty}_{R} { \frac{1}{r^2} } \, dr = kQ ( \lim_{r \to \infty} (- \frac{1}{r}) - (- \frac{1}{R} )) = \frac{kQ}{R}$
Получили известный результат. Выразим из этого результата заряд Q.
$Q= \frac{\phi R}{k}$

3. Поле при добавлении шара.
Для поиска величины напряженности воспользуемся теоремой Гаусса.
$\int {\int {E} } \, dS = 4\pi kq$
Поток вектора напряженности электростатического поля через любую замкнутую поверхность пропорционален величине свободного заряда, находящегося внутри этой поверхности.

Выберем в качестве такой поверхности сферу радиусом r. В силу структуры поля E(r) = const.
$\int {\int {E(r)} } \, dS = E(r)\int {\int {} } \, dS =E(r)*4\pi r^2 = 4\pi kq$
$E(r) = k \frac{q}{r^2}$

Теперь рассмотрим отдельные участки:
1) Участок 0 < r < 3R
$E(r) = k \frac{Q}{r^2}$
2) Участок 3R<r<4R
E(r) = 0 - электростатического поля внутри идеальных проводников не существует. Если предположить противное, то начнётся движение зарядов и это уже не статика. :)
3) Участок r > 4R
$E(r) = k \frac{4Q}{r^2}$
4Q - суммарный заряд внутри сферы радиусом r.

Аналогично рассчитаем потенциал.
$\phi' = \int\limits^\infty_R {E(r)} \, dr = \int\limits^\infty_{4R} {k \frac{4Q}{r^2} } \, dr + \int\limits^{4R}_{3R} {0} } \, dr +\int\limits^{3R}_{R} {k \frac{Q}{r^2} } \, dr = k \frac{4Q}{4R} + k \frac{Q}{R} - k\frac{Q}{3R}$

$\phi' = k \frac{5Q}{3R}$
Подставляем в это выражение найденное ранее Q и имеем:
$\phi' = \frac{5}{3}\phi = 500$

Что стоит отметить?
1) Потенциал функция непрерывная. Если знать, что подобные симметричные структуры создают поля аналогичные точечным зарядам, то задача решается в уме.
т.е. мы ищем потенциал на внешней границе шара как потенциал точечного заряда 4Q, на внутренней границе он такой же. Ищем разность потенциалов между внутренней границей и точкой A в поле точечного заряда Q. Складываем результаты.

2) Несмотря на то, что заряд 3Q на шаре поле внутри шара не создаёт, он увеличивает потенциал точек внутри полости, т.к. создаёт дополнительное поле вне шара. Потенциал - это работа по перемещению точечного заряда из бесконечности в данную точку. Больше поле вне шара - больше работа.

3) Разность потенциалов зависит только от локального поля (поля по в окрестности пути, соединяющего две точки). Сам потенциал зависит от структуры всего поля.

0,0(0 оценок)

Ответ:

azamatyusupov

24.05.2020 00:45

ответ:

от точечного источника s распространяется сферическая волна, волновая поверхность которой - сфера. дойдя до экрана с отверстием, волны дифрагируют, то есть отклоняются от первоначального направления распространения. в соответствии с принципом гюйгенса-френеля каждая точка, до которой дошла волна, становится источником вторичных волн, распространяющихся во все стороны. огибающая фронтов вторичных волн представляет новый фронт волны. причем все вторичные волны когерентны, то есть могут в точке схождения интерферировать. поэтому при определенных условиях в точке р можно наблюдать интерференционную картину, получившуюся в результате дифракции волн. чтобы объяснить наблюдаемую картину, проведем из точки р конические поверхности до пересечения с волновой поверхностью dcd сферической волны (рис. 1). длина pq образующей конической поверхности равна , длина , длина и т.д. на волновой поверхности в результате построения образуются кольцевые зоны - зоны френеля. площади зон, как показывает расчет, приблизительно равны, однако действие этих зон в точке р различно. разность хода волн, приходящих в точку р от любой зоны френеля, не превышает (по построению). поэтому в двух соседних зонах всегда есть такие соответствующие волны, разность хода между которыми в точке схождения р равна . в точке р эти волны встретятся в противофазе и погасят друг друга. волны третьей зоны ослабят действие второй, а волны четвертой ослабят действие третьей и т.д. если в отверстии dd укладывается только две зоны френеля, то в точке р почти не будет света, мы увидим темное пятно, окруженное светлым кольцом. если в отверстии укладывается три зоны френеля, то третья ослабит действие второй, свет от первой зоны пройдет, и в точке р появится светлое пятно, окруженное темным кольцом, за которым вновь наблюдается светлое кольцо и т.д. кольца становятся все тоньше по мере удаления от точки р, а когда они сливаются, картина исчезает.

таким образом, при четном числе зон френеля в точке р наблюдается темное пятно, окруженное чередующимися светлыми и темными кольцами, а при нечетном - светлое пятно, окруженное чередующимися темными и светлыми кольцами. чем больше диаметр отверстия, тем больше зон френеля укладывается в нем. в этом случае для нахождения суммарного действия всех зон в точке р надо учитывать не только разности хода от двух соседних зон, но и плавное убывание амплитуды колебаний, приходящих в точку р от более далеких, по сравнению с центральной, зон.

получим выражение радиуса зоны френеля с номером k, отстоящей от источника s монохроматических волн длины λ на расстояние a, а от точки наблюдения p - на расстояние pd = b + . при этом a » λ, b » λ. введем следующие обозначения (рис. 1): , , pc=b, oc=x, pd = b + . из треугольников sod и pod выразим по теореме пифагора:

приравняв правые части двух последних равенств, выразим х. величиной можно пренебречь по сравнению с другими слагаемыми. тогда получим:

подставим x в выражение для . тогда, пренебрегая вторым слагаемым, получим:

отсюда внешний радиус k-той зоны френеля будет равен

(1)

по условию . выразим из (1) число зон k, укладывающихся в отверстии.

подставляя численные значения, получим:

ответ: = 4, в точке р будет темное пятно.

0,0(0 оценок)

Популярные вопросы: Физика