Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Диэлектрическая проницаемость среды. Электроемкость. Конденсаторы и их соединения. Энергия электрического поля.

Федеральное государственное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

«Курский монтажный техникум»

Преподаватель: Казачкова М.С.

Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Диэлектрическая проницаемость среды. Электроемкость. Конденсаторы и их соединения. Энергия электрического поля.

(Методическая разработка открытого занятия по физике)

Курск – 2007

Тема: Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Диэлектрическая проницаемость среды. Электроемкость. Конденсаторы и их соединения. Энергия электрического поля.

Тип занятия: комбинированный.

Цели: Образовательная – сформировать представления о поведении различных веществ в электрическом поле, о конденсаторах и их соединениях, энергии электрического поля; закрепить и проверить знания о понятиях: электрический заряд, электрическое поле, напряженность, потенциал, разность потенциалов, работа электрического поля, о законе Кулона.

Развивающая – развить теоретическое и логическое мышление, воображение, внимательность, запоминание учащихся.

Воспитательная – сформировать основы научного мировоззрения, познавательный интерес к физике как к науке.

Задачи: 1) на основе ранее изученного материала рассмотреть поведение проводников и диэлектриков в электрическом поле;

2) дать определение понятиям: проводник, диэлектрик, диэлектрическая проницаемость среды, электроемкость, конденсатор, энергия электрического поля;

3) рассмотреть виды соединения конденсаторов.

План:

1. Организационный момент (проверка отсутствующих, психологический настрой студентов на работу). 1-2 мин.

2. Проверка домашнего задания в форме письменного опроса по тестам. 10 мин.

3. Объяснение нового материала в форме беседы. 40-45 мин.

4. Закрепление (решение задач). 25-30 мин.

5. Выставление оценок и подведение итогов урока. 1-2 мин.

6. Задание домашнего задания. 5 мин.

Ход занятия:

1. Проверка отсутствующих.

2. Письменный опрос: тесты по двум вариантам с взаимопроверкой. (см. приложение 1)

Ответы к тесту: I вариант II вариант

1. Б 1. В

2. В 2. А

3. Б 3. А

4. В 4. В

5. Б 5. Б

6. А 6. В

Ключ: 6 ответов – «5»

5 ответов – «4»

4 ответа – «3»

3 ответа и меньше – «2»

3. Эпиграф к теме занятия:

Быть может, эти электроны –

Миры, где пять материков,

Искусства, знанья, войны, троны

И память сорока веков!

Еще, быть может, каждый атом –

Вселенная, где сто планет,

Там все, что здесь, в объеме сжатом,

Но также то, чего здесь нет.

В. Брюсов

В: Как вы думаете, почему я подобрала к сегодняшнему занятию именно этот эпиграф?

В: Что входит в состав атома?

В состав атомов входят электрически заря­женные частицы: положительные — протоны, отрицательные — электроны.

В: Каким является атом в нормальном состоянии?

В нор­мальном состоянии атом электрически нейтрален, так как число протонов, входя­щих в состав ядра атома, равно числу электронов, вращающихся вокруг ядра и образующих «электронные оболочки» атома. Электроны удерживаются в атоме си­лами электрического притяжения к ядру.

В зависимости от характера воздействия электрического поля тела подразделяют на проводники, диэлектрики и полупро­водники. Свойства тел и поведение их в электрическом поле определяются строе­нием и расположением атомов в телах.

1. Диэлектрики в электрическом поле.

Диэлектриками называют вещества, не проводящие электрического тока. (Термин «диэлектрик» был введен М.Фарадеем 1837г.) Диэлектриками могут быть вещества, находящиеся в любом из трех аг­регатных состояний: газообразном (азот, водород), жидком (продукты нефтепе­реработки), твердом (янтарь, фарфор, кварц).

В идеальном диэлектрике нет свободных зарядов.

Внешние электроны атомов диэлектрика крепко связаны с ядрами. И все-таки если диэлектрик внести во внешнее электрическое поле, то диэлектрик претерпевает существенные изменения, что объясняется его моле­кулярным строением.

Все диэлектрики делят на три группы.

При помещении диэлектриков во внешнее электрическое поле происходит процесс их поляризации.

В: Что такое электрический или дипольный момент?

Электрической поляризацией называют осо­бое состояние вещества, при котором электрический момент некоторого объема этого вещества не равен нулю.

Различают три вида поляризации.

1. Электронная поляризация. Если неполярную молекулу поместить во внешнее электрическое поле Е₀, то под действием электрического поля электронное облако упруго смещается и у молекулы появляется дипольный момент. Время установления этой поляризации порядка t =10^-15 с.

2. Дипольная (ориентационная) поляризация. При наложении внешнего поля Е₀ хаотически и беспорядочно ориентированные жесткие диполи полярных диэлектриков стремятся повернуться по направлению действия электрических сил. Эта поляризация устанавливается за время порядка t = 10^-10 с.

3. Ионная поляризация. Если кристаллический диэлектрик типа NaCl, CsCl, имеющий ионные кристаллические решетки, в узлах которых правильно чередуются положительные и отрицательные ионы, поместить во внешнее электричес­кое поле, то произойдет смещение положительных ионов решетки вдоль направ­ления поля, а отрицательных ионов — в противоположную сторону. Таким обра­зом, диэлектрик поляризуется. Это происходит за время порядка t = 10^-13 с.

В результате поляризации на гранях диэлектрика появляются заряды, не компенсированные соседними диполями, которые называют связанными, т. е. на одной его поверхности возникают положительные заряды, а на другой — отрицательные.

Связанные заряды принадлежат молекулам диэлектрика и не могут быть удалены с его поверхности.

При возрастании напряженности внешнего поля ориентация электрических моментов диполей еще более упорядочивается. Напряженность электрического поля Е', создаваемого связанными зарядами внутри диэлектрика, направлена противоположно напряженности внешнего, поляризующего диэлектрик электрического поля Е₀. Напряженность суммарного поля внутри диэлектрика Е = Е₀ + Е'. Результирующая напряженность Е поля зависит от электрических свойств среды, она пропорциональна при­ложенной к диэлектрику напряженности Е₀ внешнего поля:

Диэлектрическая проницаемость среды показывает, во сколько раз

напряженность поля в вакууме больше, чем в диэлектрике. Это величина без­размерная.

Диэлектрическая проницаемость некоторых веществ приведена в таблице. (см. приложение 2)

Доклад студента: «Пьезоэлектрический эффект».

2. Проводники в электрическом поле.

Типичные проводники – металлы.

В: Какое строение имеют металлы? Какова их особенность?

Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов (электронов), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника. В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды. Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами.

Индукционные заряды создают свое собственное поле которое компенсирует внешнее поле во всем объеме проводника: (внутри проводника).

Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника.

Все внутренние области проводника, внесенного в электрическое поле, остаются электронейтральными. Если удалить некоторый объем, выделенный внутри проводника, и образовать пустую полость, то электрическое поле внутри полости будет равно нулю. На этом основана электростатическая защита – чувствительные к электрическому полю приборы для исключения влияния поля помещают в металлические ящики. Так как поверхность проводника является эквипотенциальной, силовые линии у поверхности должны быть перпендикулярны к ней.

3.Электрическая емкость.

Опытным путем было установлено, что если форма и размеры уединенного проводника не изменяются и остается неизменной среда, в которой находится проводник (например, воздух), то при увеличении заряда Q на проводнике происходит пропорциональное ему возрастание потенциала проводника:

Q=Cφ C=Q/φ

Коэффициент пропорциональности называется электрической ем­костью.

Электрическая емкость (емкость) проводника или системы проводников есть физическая величина, характеризующая способность проводника или систе­мы проводников накапливать электрические заряды.

Электроемкость двух проводников:

В общем случае емкость зависит как от среды, в которой находится проводник, так и от расположения окружающих его тел, но не зависит от значения сообщен­ного ему заряда и его потенциала.

В СИ единицей электрической емкости является фарад (Ф).

Фарад — емкость такого проводника, потенциал которого изменяется на 1 В при сообщении ему заряда 1 Кл.

4. Конденсаторы.

Известно, что в общем случае емкость проводника зависит от среды, в которой он находится, и от расположения окружающих его проводни­ков. Система проводников, емкость которой не зависит от расположения окру­жающих тел, получила название конденсатора.

Конденсаторы — это сис­тема из двух проводников, называемых обкладками и разделенных диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок. Обкладки конден­сатора располагают таким образом, чтобы поле, создаваемое зарядами, находя­щимися на обкладках, было сосредоточено в пространстве между ними.

Электрическая емкость конденсатора определяется его геометрией и диэлек­трическими свойствами среды, заполняющей пространство между обкладками.

При зарядке конденсатора на его обкладках появляются заряды, одинаковые по значению, но противоположные по знаку. Разность потенциалов между обклад­ками изменяется пропорционально заряду. В соответствии с их фор­мой различают конденсаторы:

1) плоский конденсатор – система из двух плоских проводящих пластин, расположенных параллельно друг другу на малом по сравнению с размерами пластин расстоянии и разделенных слоем диэлектрика. Электрическое поле плоского конденсатора в основном локализовано между пластинами; однако, вблизи краев пластин и в окружающем пространстве также возникает сравнительно слабое электрическое поле, которое называют полем рассеяния. В целом ряде задач можно приближенно пренебрегать полем рассеяния и полагать, что электрическое поле плоского конденсатора целиком сосредоточено между его обкладками. Но в других задачах пренебрежение полем рассеяния может привести к грубым ошибкам, так как при этом нарушается потенциальный характер электрического поля.

(демонстрация плоского конденсатора)

Поле плоского конденсатора.

Идеализированное представление поля плоского конденсатора. Такое поле не обладает свойством потенциальности.

2) Сферический конденсатор – это система из двух концентрических проводящих сфер радиусов R₁ и R₂. Емкость конденсатора, заполненного диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε равна:

3)Цилиндрический конденсатор – система из двух одноосных проводящих цилиндров радиусов R₁ и R₂ и длины L. Емкость конденсатора, заполненного диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε равна:

5. Соединения конденсаторов.

В: Что значит соединить параллельно элементы схемы? Последовательно?

Опыт показывает, что заряженный конденсатор содержит запас энергии.

Энергия заряженного конденсатора равна работе внешних сил, которую необходимо затратить, чтобы зарядить конденсатор.

Процесс зарядки конденсатора можно представить как последовательный перенос достаточно малых порций заряда Δq  0 с одной обкладки на другую. При этом одна обкладка постепенно заряжается положительным зарядом, а другая – отрицательным. Поскольку каждая порция переносится в условиях, когда на обкладках уже имеется некоторый заряд q, а между ними существует некоторая разность потенциалов при переносе каждой порции Δq внешние силы должны совершить работу

Энергия W_e конденсатора емкости C, заряженного зарядом Q, может быть найдена путем интегрирования этого выражения в пределах от 0 до Q:

4. Закрепление.

Решение задач.

№ 1. Какую емкость имеет конденсатор, если он получил заряд 6·10^-5 Кл от источника напряжением 120В?

№ 2. Определить толщину диэлектрика плоского конденсатора, емкость которого 1400 пФ, площадь покрывающих друг друга пластин 14 см² , если диэлектрик – слюда (ε = 6).

№ 3. Воздушный конденсатор электроемкостью 250 мФ подключен к источнику, разностью потенциалов 100 В. Вычислить энергию и заряд конденсатора.

№1. Три последовательно соединенных конденсатора с емкостями 100 пФ, 200 пФ и 500 пФ подключены к источнику тока, который сообщил им заряд 10 нКл. Найти напряжение на конденсаторах, напряжение источника тока и емкость всех конденсаторов. (30 В, 15 В, 6 В, 51 В, 59 пФ)

№2. Плоский конденсатор зарядили при помощи источника тока напряжением 200 В. Затем конденсатор был отключен от этого источника тока. Каким станет напряжение между пластинами, если расстояние между ними увеличить от первоначального 0,2 мм до 0,7 мм?(700 В)

Решение:

С =

Ответ: 0,5 мкФ.

Дано:

Q = 6·10^-5 Кл

U = 120В

C – ?

№ 2. Определить толщину диэлектрика конденсатора, емкость которого 1400

Решение:

Ответ: 0,53 см.

Дано:

С = 1400 пФ

S= 14 см²

ε = 6

ε₀ = 8,85·10^-12 Ф/м

d – ?

СИ

1400·10^-12 Ф

14·10^-4 м²

№ 3. Воздушный конденсатор электроемкостью 250 мФ подключен к источнику, разностью потенциалов 100 В. Вычислить энергию и заряд конденсатора.

5. Выставление оценок и подведение итогов урока.

Вопросы:

1) С какими новыми понятиями мы познакомились на сегодняшнем занятии?

2) Какие новые для вас явления мы рассмотрели?

3) Какие виды соединений конденсаторов мы рассмотрели?

4) Где используют конденсаторы?

6. Домашнее задание.

1. Выучить конспект.

2. Решить задачи.

№1. Три последовательно соединенных конденсатора с емкостями 100 пФ, 200 пФ и 500 пФ подключены к источнику тока, который сообщил им заряд 10 нКл. Найти напряжение на конденсаторах, напряжение источника тока и емкость всех конденсаторов. (30 В, 15 В, 6 В, 51 В, 59 пФ)

№2. Плоский конденсатор зарядили при помощи источника тока напряжением 200 В. Затем конденсатор был отключен от этого источника тока. Каким станет напряжение между пластинами, если расстояние между ними увеличить от первоначального 0,2 мм до 0,7 мм?(700 В)

14