В этой статье мы расскажем о самых важных вещах, связанных с диэлектрической проницаемостью. Среди прочего, вы узнаете о важных ролях, которые она играет, и о её типичных значениях.
Простое объяснение
В повседневной жизни вы сталкиваетесь с различными веществами, такими как металлы, вода или кислород. Каждое из этих веществ по-разному реагирует на электрические поля.
Диэлектрическая проницаемость (диэлектрическая постоянная или абсолютная диэлектрическая проницаемость) ε описывает способность материала к поляризации электрическими полями и определяется следующим образом: ε = εr * ε0 .
Здесь εr — относительная проницаемость, а ε0 — электрическая постоянная (или диэлектрическая проницаемость вакуума).
Если понимать значение термина «проницаемость» буквально, то это мера того, насколько сильно материя «пропускает» электрическое поле. Поэтому проницаемость можно рассматривать как меру того, насколько материя может быть поляризована.
Диэлектрическая проницаемость вакуума
Особую роль играет диэлектрическая проницаемость вакуума (также называемая проницаемостью вакуума). В этом разделе мы расскажем вам о значении и единицах измерения проницаемости вакуума, о том, как она связана с другими константами, и о ее значении в контексте других важных законов.
Числовое значение и единица измерения
Диэлектрическая проницаемость вакуума ε0 имеет значение 8,85418781762039 * 10-12 или 8.85 * 10-12, что более практично для расчетов. Единицей измерения константы является [ Ф·м−1 ] или если выражать через основные единицы СИ [ м−3·кг−1·с4·А2 ].
Взаимосвязь с другими константами
Существует замечательная связь между электрической постоянно ε0, магнитной постоянно μ0 и скоростью света в вакууме с0. То есть верно следующее соотношение: c02 = 1 / ε0 * μ0 .
До 2019 года это уравнение точно определяло значение постоянной электрического поля. Однако в ходе пересмотра ситуация изменилась, и с 20 мая 2019 года как электрическая постоянная, так и магнитная постоянная имеют определенную погрешность измерения.
Это уравнение было первым указанием на то, что свет может быть электромагнитной волной.
Закон Кулона и электрический потенциал
Помимо связи со скоростью света, электрическая постоянная фигурирует в других важных законах электродинамики. К ним относятся, например:
- Закон Кулона:
- Электрический потенциал заряженной частицы : φ ( r ) = q / 4 * π * ε0 * r .
В частности, закон Кулона является основой электростатики, поэтому константа электрического поля также имеет большое значение.
Диэлектрическая проницаемость: общий случай
В этом разделе мы рассмотрим общий случай. Мы объясним физический смысл абсолютной диэлектрической проницаемости с помощью электроизоляционных материалов и объясним, что такое относительная диэлектрическая проницаемость.
Диэлектрическая проницаемость диэлектриков
В электроизолирующих материалах (диэлектриках) электрические заряды связаны с атомами или молекулами. Поэтому они могут лишь немного перемещаться внутри атомов или молекул. Электрическое поле может изменить распределение заряда в диэлектрике двумя важными способами: деформацией и вращением. Даже если отдельные электрические заряды могут двигаться незначительно, совокупность всех движений определяет поведение электроизоляционного материала.
Поляризация
В зависимости от того, состоит ли материал из полярных или неполярных молекул, реакция на внешнее электрическое поле различна. С неполярной молекулой происходит растягивание (деформация), при котором поле индуцирует дипольный момент в каждой молекуле материала. Все эти дипольные моменты направлены в ту же сторону, что и электрическое поле.
В полярной молекуле, с другой стороны, происходит вращение, так что и здесь все дипольные моменты направлены в сторону электрического поля. В целом внешнее электрическое поле вызывает образование в материале большого количества диполей, все из которых ориентированы в том же направлении, что и внешнее поле. Таким образом, материал поляризуется. Поляризация P описывает, сколько дипольных моментов приходится на единицу объема материала.
Таким образом, поляризация диэлектрика вызывается электрическим полем. Возникающие направленные дипольные моменты, в свою очередь, создают электрическое поле, противодействующее внешнему полю. Таким образом, это противоположное поле ослабляет внешнее поле. В целом, связь между поляризацией и внешним электрическим полем сложная. Для многих веществ, так называемых линейных диэлектриков, поляризация пропорциональна полю. Применяется следующее соотношение:
P = ε0 * χ * E , где
Здесь ε0 — электрическая постоянная, а χ — электрическая поляризуемость. Электрическое поле E в этом уравнении является полным полем. Поэтому причиной этого могут быть частично свободные заряды и частично сама поляризация.. Свободные заряды — это все те носители заряда, которые не являются результатом поляризации. Таким образом, это полное электрическое поле очень трудно рассчитать, поскольку мы обычно не имеем информации о распределении поляризационных зарядов.
Для справки: χ — коэффициент, зависящий от химического состава, концентрации, структуры (в том числе от агрегатного состояния) среды, температуры, механических напряжений и т. д. (от одних факторов более сильно, от других слабее, конечно же и в зависимости от диапазона изменений каждого), и называемый (электрической) поляризуемостью (а чаще, по крайней мере для того случая, когда он выражается скаляром — диэлектрической восприимчивостью) данной среды.
Википедия
Электрическая индукция
Чтобы иметь возможность рассчитать электрическое поле даже в присутствии диэлектрика, вводится электрическая индукция D. В линейной среде: D = ε0 * E + P = ε0 * E + ε0 * χe * E = ε0 * ( 1 + χe ) * E и поэтому D также пропорциональна E.
Если вы объедините константы вместе ε = ε0 * ( 1 + χe ), то получится: D = ε * E .
Постоянная ε и называется диэлектрической проницаемостью.
Относительная диэлектрическая проницаемость
Величина: εr = 1 + χe = ε / ε0 называется относительной проницаемостью (также относительной диэлектрической проницаемостью). С его помощью полное электрическое поле в присутствии диэлектрика определяется следующим образом: E = D / ε = D / εr * ε0 .
При постоянной электрической индукции относительная проницаемость, таким образом, определяет, насколько сильно ослабляется электрическое поле. Чем больше относительная проницаемость, тем больше ослабляется электрическое поле и, следовательно, уменьшается общая напряженность электрического поля.
Термин относительная проницаемость может привести к неправильному пониманию того, что относительная проницаемость для данного материала является константой. На самом деле, относительная проницаемость зависит от многих факторов. Среди них:
- температура материала;
- частота внешнего электрического поля;
- напряженность внешнего электрического поля.
Для некоторых материалов относительная проницаемость дополнительно зависит от направления. Следовательно, в случае таких материалов это не просто число, а часто тензор второго порядка.
Особенно наглядную иллюстрацию влияния диэлектриков с разной относительной проницаемостью можно получить, поместив диэлектрик между двумя пластинами конденсатора. Если измерить электрическое напряжение на конденсаторе до и после введения диэлектрика, то можно обнаружить, что напряжение на конденсаторе уменьшается ровно на величину εr относительной диэлектрической проницаемости. Это следует непосредственно из уравнения: E = U / d для величины электрического поля между пластинами конденсатора, расположенными на расстоянии d друг от друга. Это также иллюстрирует, почему εr называется относительной проницаемостью. Напряжение на конденсаторе уменьшается на коэффициент εr за счет введения диэлектрика, по сравнению со случаем, когда между пластинами только вакуум.
Относительные диэлектрические проницаемости отдельных материалов
Наконец, мы приводим таблицу с типичными значениями относительной диэлектрической проницаемости (относительной диэлектрической проницаемости) различных материалов. Следует отметить, что в таких таблицах обычно указывается относительная проницаемость, а не сама абсолютная диэлектрическая проницаемость. Поэтому, если вы ищете таблицу для определения абсолютной диэлектрической проницаемости определенного материала, вы должны помнить, что приведенное там значение не является непосредственно той проницаемостью, которую вы ищете. Однако для заданного значения относительной проницаемости можно вычислить соответствующую абсолютную диэлектрическую проницаемость без особых дополнительных усилий. То есть нужно применять следующую уже известную нам формулу: ε = εr * ε0 .
| Вещество | εr |
| Вакуум | ровно 1 |
| Гелий | 1,000065 |
| Медь | 5,6 |
| Воздух (сухой) | 1,00059 |
| Метанол | 32,6 |
| Бумага | 1 – 4 |
| Вода ( 20°C, 0 — 3 ГГц ) | 80 |
| Вода ( 0°C, 0 — 1 ГГц ) | 88 |
(если не указано иное: при 18°C и 50 Гц)
В предыдущем разделе мы упоминали, что относительная проницаемость зависит, помимо прочего, от температуры и частоты. Поэтому важно знать и температуру, и частоту, если вы хотите получить значение из таблицы. Например, относительная проницаемость воды при температуре 20°C и частоте 0 ГГц равна 80. Если температура 0°C, а частота та же, относительная проницаемость воды равна 88. Медь, с другой стороны, имеет относительную проницаемость 5,6. Это означает, что вода как среда уменьшит напряжение на конденсаторе в 80 раз, в то время как медь уменьшит его только в 5,6 раз.
Список использованной литературы
- Курс физики для ФМШ при НГУ, раздел «Электромагнитное поле», гл. 2: «Диэлектрики».
- Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. — М.: Мир, 1965.
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.. — Т. III. Электричество.
- Гольдштейн Л. Д., Зернов Н. В. Электромагнитные поля и волны. М.: Сов. радио, 1971. С. 11.
Как найти диэлектрическую проницаемость
Чтобы правильно рассчитать параметры конденсаторов в процессе их разработки и производства, необходимо знать такой параметр как диэлектрическая проницаемость.
Инструкция
Диэлектрическая проницаемость ε(относительная) среды — это физическая величина, которая характеризует свойства диэлектрической (изолирующей) среды. Она связана с эффектом поляризации диэлектриков под воздействием электрического поля. Диэлектрическая проницаемостьε показывает, во сколько раз меньше сила взаимодействия электрических зарядов в какой-либо среде, чем в вакууме.
Чтобы определить диэлектрическую проницаемость вещества εr, сравните ёмкость конденсатора, взятого как тестовый, с заданным диэлектриком (Cx) и ёмкость этого же конденсатора, но в вакууме (Co): Ɛr = Cx/Co
Диэлектрическая проницаемость большинства газов, в том числе воздуха, в обычных условиях приближается к единице (из-за их низкой плотности). Большая часть твёрдых диэлектриков относительная имеет диэлектрическую проницаемость, которая лежит в диапазоне от 2 до 8. В статическом поле диэлектрическая постоянная воды имеет достаточно высокое значение — примерно 80.
Вещества с молекулами, которые обладают значительным электрическим диполем, имеют и большое значение диэлектрической проницаемости.К примеру, диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков исчисляется десятками и сотнями тысяч.
Диэлектрическая проницаемость является одним из важнейших параметров при создании конденсаторов. Применение материалов, которые имеют высокую диэлектрическую проницаемостью, позволяет значительно снизить геометрические размеры конденсаторов.
Ёмкость электрических конденсаторов определяется по формуле: C= Ɛr*Ɛo*S/d
Где:
εr — диэлектрическая проницаемость изолятора между обкладками,
εо — электрическая постоянная,
S — площадь поверхности обкладок конденсатора,
d — промежуток между обкладками.
Диэлектрическая проницаемость принимается в расчет также при создании печатных плат.
Видео по теме
Войти на сайт
или
Забыли пароль?
Еще не зарегистрированы?
This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy and Terms of Service apply.
Конденсатор служит для накопления электрического заряда. Он представляет собой два проводника, разделенных слоем диэлектрика.
Плоский конденсатор — система двух разноименно заряженных пластин.
Разность потенциалов U (В) между обкладками конденсатора (напряжение между пластинами), определяется произведением напряженности создаваемого ими электрического поля на расстояние между ними:
U=Ed
Электроемкость конденсатора
Определение
Электрическая емкость — характеристика проводника, мера его способности накапливать электрический заряд.
Электроемкость обозначается как C. Единица измерения электрической емкости — Фарад (Ф).
Электроемкость конденсатора определяется формулой:
C=ε0εSd
- ε0 — диэлектрическая постоянная, равная 8,85∙10–12 Кл2/(Н∙м2);
- ε — диэлектрическая проницаемость среды;
- S (м2) — площадь каждой пластины.
Внимание! У воздушного конденсатора диэлектрическая проницаемость среды равна 1.
Связь между электроемкостью конденсатора, зарядом и напряжением определяется формулами:
C=QU=qU
Важно! Электроемкость конденсатора зависит только от площади его пластин, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости среды. От заряда и напряжения эта величина не зависит.
Энергия конденсатора
Формула энергии конденсатора
Энергия конденсатора связана с его электроемкостью и вычисляется по следующим формулам:
Wэ=q22C=CU22
Подсказки к задачам
| Конденсатор отключен от источника | q = q′ |
| Конденсатор подключен к источнику | U = U′ |
| Количество теплоты и энергия конденсатора | Q = ∆Wэ |
Пример №1. Вычислить электроемкость плоского воздушного конденсатора с квадратными пластинами со стороной 10 см, расположенными на расстоянии 1 мм друг от друга. Ответ округлить до десятых.
10 см = 0,1 м
1 мм = 0,001 м
Так как между обкладками конденсатора находится воздух, примем диэлектрическую проницаемость среды за единицу.
Площадь квадратной пластины равна квадрату ее стороны:
S = a2
Соединения конденсаторов
| Последовательное соединение | Параллельное соединение | |
| Схема |  |
 |
| Напряжение |
U=U1+U2 |
U=U1=U2 |
| Заряд |
q=q1=q2 |
q=q1+q2 |
| Электроемкость |
1C=1C1+1C2 |
C=C1+C2 |
Подсказки к задачам
| Два конденсатора, электроемкости которых C1 и C2, заряжены до напряжения U1 и U2. Найдите разность потенциалов после соединения конденсаторов одноименными полюсами. | Схема соединения конденсаторов одноименными полюсами:
Заряд системы после соединения: q′ Электрическая емкость системы: C′ Напряжение: U′ |
| Два конденсатора, электроемкости которых C1 и C2, заряжены до напряжения U1 и U2. Найдите разность потенциалов после соединения конденсаторов разноименными полюсами. |
Схема соединения конденсаторов разноименными полюсами:
Заряд системы после соединения: q′ Электрическая емкость системы: C′ Напряжение: U′ |
Пример №2. К конденсатору, электрическая емкость которого C = 16 пФ, подключают два одинаковых конденсатора емкостью X: один параллельно, а второй — последовательно (см. рисунок). Емкость образовавшейся батареи конденсаторов равна емкости C. Какова емкость X? Ответ округлите до десятых.
Электрическая емкость параллельного соединения равна:
Cпарал=X+C
Электроемкость последовательного соединения:
1Cпослед=1Cпарал+1X=1X+C+1X
Учтем, что суммарная электроемкость равна C:
1C=1X+C+1X
Преобразуем, умножим выражение на CX(X+C):
X(X+C)=CX+C(X+C)
Раскроем скобки:
X2+XC=CX+CX+C2
X2−CX−C2=0
Решив уравнение, получим: X = 25,9 пФ.
Разбор задач на тему «Заряженная частица в поле конденсатора»
| Шарик, находящийся в масле плотностью ρ, «висит» в поле плоского конденсатора. Плотность вещества шарика ρш > ρ, его радиус r, расстояние между обкладками конденсатора d. Каков заряд шарика, если электрическое поле направлено вверх, а разность потенциалов между обкладками U? | Условие равновесия исходит из второго закона Ньютона:
−Fтяж+−FK+−FA=0 ρш > ρ, поэтому −Fтяж> −FA. В этом случае сила Кулона направлена вверх, а заряд шарика положительный. Схематически это можно отобразить так:
Проекция второго закона Ньютона на ось ОУ: FK+FA=Fтяж Сила тяжести равна произведению объема на плотность шарика и на ускорение свободного падения: Fтяж=ρш43πr3g Архимедова сила равна произведению объема шарика на плотность масла и на ускорение свободного падения: FА=ρ43πr3g Сила Кулона: FK=qUd qUd+ρ43πr3g=ρш43πr3g q=(ρш43πr3g−ρ43πr3g)dU=4πr3gd(ρш−ρ)3U |
| Маленький шарик с зарядом q и массой m, подвешенный на невесомой нити с коэффициентом упругости k, находится между вертикальными пластинами воздушного конденсатора. Расстояние между обкладками конденсатора d. Какова разность потенциалов между обкладками конденсатора U, если удлинение нити ∆l? | 
Условие равновесия исходит из второго закона Ньютона: −Fтяж+−FK+−Fупр=0 Проекции на оси ОХ и ОУ соответственно: Fупрsinα−FK=0 Fупрcosα−mg=0 Отсюда: kΔlsinα=qUd kΔlcosα=mg Чтобы избавиться от угла α, возведем уравнения в квадрат и сложим их: (kΔl)2sin2α+(kΔl)2cos2α=(qUd)2+(mg)2 (kΔl)2(sin2α+cos2α)=(qUd)2+(mg)2 sin2α+cos2α=1 (kΔl)2=(qUd)2+(mg)2 U=dq√(kΔl)2−(mg)2 |
| Пластины плоского конденсатора расположены горизонтально на расстоянии d друг от друга. Напряжение на пластинах конденсатора U. В пространстве между пластинами падает капля жидкости. Масса капли m, ее заряд q. Определите расстояние между пластинами. Влиянием воздуха на движение капли пренебречь. | Второй закон Ньютона в векторной форме:
−Fтяж+−FK=0
Проекция на вертикальную ось: Fтяж−FK=0 Fтяж=mg FK=qUd mg=qUd d=qUmg |
| Между двумя параллельными горизонтально расположенными диэлектрическими пластинами создано однородное электрическое поле с напряженностью −E, направленное вертикально вниз. Между пластинами помещен шарик на расстоянии d от верхней пластины и b от нижней. Заряд шарика –q, масса m. Шарик освобождают, и он начинает двигаться. Через какой промежуток времени t шарик ударится об одну из пластин, если система находится в поле силы тяжести Земли? | Второй закон Ньютона в векторной форме:
−Fтяж+−FK=m−a Согласно условию данной задачи, сила тяжести противоположно направлена силе Кулона. Построим рисунок:
Если Fтяж > FK, то шарик движется с ускорением вниз. Ускорение и перемещение в этом случае равны: a=mg−qEm s=b Если Fтяж < FK, то шарик движется с ускорением верх. Ускорение и перемещение в этом случае равны: a=qE−mgm s=d Начальная скорость шарика равна нулю. Поэтому перемещение также равно: s=at22 Сделаем вычисления для случая Fтяж > FK: at22=b mg−qEmt22=b t=√2bmmg−qE Выполняя вычисления для случая Сделаем вычисления для случая Fтяж < FK, получим: t=√2bmqE−mg |
| Между двумя параллельными, вертикально расположенными диэлектрическими пластинами создано однородное электрическое поле, напряженность которого −E и направлена слева направо. Между пластинами помещен шарик на расстоянии b от левой пластины и d от правой. Заряд шарика –q, масса m. Шарик освобождают, и он начинает двигаться. Найдите смещение шарика по вертикали ∆h до удара об одну из пластин. Пластины имеют достаточно большой размер. | Второй закон Ньютона в векторной форме:
−Fтяж+−FK=m−a
Если сила Кулона направлена вправо, то sx = d. Если сила Кулона направлена вправо, то sx = b. Учитывая, что заряд меньше нуля, а вектор напряженности направлен вправо, делаем вывод, что кулоновская сила направлена влево. Из проекций второго закона Ньютона выразим проекции ускорения на оси ОХ и ОУ соответственно: ax=qEm ay=g Проекции перемещений на эти же оси: sx=axt22 sx=Δh=gt22 axt22=b Или: qEmt22=b Так как время движения шарика по вертикали и горизонтали одинаково: t2=2Δhg=2mbqE Δh=mbgqE |
Задание EF17979
Введите ответ в поле ввода
Плоский конденсатор подключён к гальваническому элементу. Как изменятся при уменьшении зазора между обкладками конденсатора три величины: ёмкость конденсатора, величина заряда на его обкладках, разность потенциалов между ними?
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
- увеличится
- уменьшится
- не изменится
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
Алгоритм решения
1.Определить, от чего зависит емкость конденсатора, и как она изменится при уменьшении зазора между его обкладками.
2.Определить, от чего зависит величина заряда конденсатора, и как она изменится после уменьшения зазора между его обкладками.
3.Определить, от чего зависит разность потенциалов между обкладками конденсатора, и как она изменится при уменьшении зазора.
Решение
Емкость конденсатора определяется формулой:
C=ε0εSd
Следовательно, емкость имеет обратно пропорциональную зависимость от расстояния между обкладками. Если расстояние уменьшить, то емкость увеличится.
Вот как взаимосвязана электроемкость и заряд конденсатора:
C=qU
Мы выяснили, что электроемкость увеличивается. Следовательно, увеличится и заряд, так как они имеют прямо пропорциональную зависимость.
С учетом того, что плоский конденсатор подключен к гальваническому элементу, разность потенциалов никак не зависит от расстояния между обкладками. Поэтому величина U остается неизменной.
Ответ: 113
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Задание EF18574
Воспользовавшись оборудованием, представленным на рис. 1, учитель собрал модель плоского конденсатора (рис. 2), зарядил нижнюю пластину положительным зарядом, а корпус электрометра заземлил. Соединённая с корпусом электрометра верхняя пластина конденсатора приобрела отрицательный заряд, равный по модулю заряду нижней пластины. После этого учитель сместил одну пластину относительно другой не изменяя расстояния между ними (рис. 3). Как изменились при этом показания электрометра (увеличились, уменьшились, остались прежними)? Ответ поясните, указав, какие явления и закономерности Вы использовали для объяснения. Показания электрометра в данном опыте прямо пропорциональны разности потенциалов между пластинами конденсатора.
Алгоритм решения
1.Проанализировать каждый этап эксперимента.
2.Установить, от чего зависит угол отклонения стрелки электрометра.
3.Выяснить, что поменяется при смещении одной пластины конденсатора относительно другой, и что при этом произойдет со стрелкой электрометра.
Решение
На первом рисунке стрелка и стержень электрометра, соединённые с нижней пластиной, но изолированные от корпуса, заряжаются положительно. Поэтому стрелка отклоняется на некоторый угол. В верхней пластине и металлическом корпусе электрометра происходит перераспределение свободных электронов таким образом, что верхняя пластина заряжается отрицательно.
На втором рисунке заряды пластин одинаковы по модулю и противоположны по знаку, пластины образуют конденсатор с ёмкостью:
C=ε0εSd
S — площадь перекрытия пластин, d — расстояние между ними, ε — диэлектрическая проницаемость диэлектрика между пластинами.
Характер изменения угла отклонения стрелки совпадает с изменением разности потенциалов между пластинами: при увеличении разности потенциалов увеличивается угол отклонения, при уменьшении разности потенциалов угол уменьшается.
На рисунке 3 площадь перекрытия пластин уменьшилась. Следовательно, уменьшилась электроемкость, которая имеет обратно пропорциональную зависимость от разности потенциалов:
C=qU
Заряд остается постоянным, поскольку система изолированная — заряду просто некуда деться. Поэтому с уменьшением электроемкость растет разность потенциалов. Поэтому показания электрометра увеличатся.
Ответ: Увеличатся
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Задание EF18695
Ученик изучает свойства плоского конденсатора. Какую пару конденсаторов (см. рисунок) он должен выбрать, чтобы на опыте обнаружить зависимость ёмкости конденсатора от расстояния между его обкладками?
Алгоритм решения
- Установить, какие величины в данном эксперименте должны быть переменными, а какие — постоянными.
- Найти рисунок с парой конденсаторов, удовлетворяющий требованиям, выявленным в шаге 1.
Решение
Чтобы на опыте обнаружить зависимость ёмкости конденсатора от расстояния между его обкладками, нужно сохранить все величины постоянными, кроме самого расстояния. Поэтому площади обкладок должны быть одинаковыми, но расстояние между ними разными, как на рисунке 1.
Ответ: а
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Задание EF18703
Протон влетает в электрическое поле конденсатора параллельно его пластинам в точке, находящейся посередине между пластинами (см. рисунок). Найдите минимальную скорость υ, с которой протон должен влететь в конденсатор, чтобы затем вылететь из него. Длина пластин конденсатора 5 см, расстояние между пластинами 1 см, напряжённость электрического поля конденсатора 5000 В/м. Поле внутри конденсатора считать однородным, силой тяжести пренебречь.
Ответ записать в км/с, округлив до десятков.
Алгоритм решения
1.Записать исходные данные и перевести единицы измерения величин в СИ.
2.Выполнить рисунок. Указать направление движения протона и силы, действующие на него.
3.Выяснить, при каком условии протон успеет вылететь из конденсатора.
4.Выполнить решение в общем виде.
5.Подставить известные данные и вычислить искомую величину.
Решение
Запишем исходные данные:
• Масса протона: m = 1,67∙10–27 кг.
• Заряд протона: q = 1,6∙10–19 Кл.
• Расстояние между обкладками конденсатора: d = 1 см.
• Длина пластин конденсатора: l = 5 см.
• Напряженность однородного поля внутри конденсатора: E = 5000 В/м.
1 см = 0,01 м
5 см = 0,05 м
Сделаем рисунок:
Изначально протон обладает только горизонтальной скоростью v, равной vx. Влетев в однородное электростатическое поле внутри конденсатора, протон обретает вертикальную компоненту скорости, которая растет за счет ускорения, придаваемого кулоновскими силами. Положительно заряженный протон притягивается нижней отрицательно зараженной пластиной конденсатора.
Чтобы протон вылетел из конденсатора, его горизонтальная компонента скорости должна быть достаточной для того, чтобы частица не притянулась к нижней пластине раньше. Время, которое понадобится протону для преодоления длины пластин конденсатора со скоростью vx:
t=lvx=lv
Протон влетел в пространство между обкладками конденсатора на одинаковом расстоянии от них. Следовательно, прежде чем он упадет на нижнюю пластину, по оси OY он переместится на расстояние, равное 0,5d. Так как начальная компонента скорости равна нулю (мы пренебрегаем силой тяжести):
0,5d=at22
Протон вылетит из конденсатора, а не упадет на его пластину, если время горизонтального перемещения до конца пластин будет как минимум равно времени падения. Выразим время падения:
t=√da
Приравняем правые части уравнений времени и получим:
lv=√da
Отсюда скорость равна:
v=√al2d
Ускорение выразим из второго закона Ньютона:
FK=ma=qUd
a=qUmd
Но известно, что:
U=Ed
Поэтому:
a=qEdmd=qEm
Отсюда:
Минимальная скорость, с которой протон должен влететь в конденсатор, составляет 346∙103 м/с. Округлим до десятков и переведем в км/с. Получим 350 км/с.
Ответ: 350
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Алиса Никитина | Просмотров: 6k
Цель работы:
изучить метод измерения диэлектрической
проницаемости.
Приборы и
принадлежности:
ЛКЭ-1,2,6 (генератор сигналов функциональный
ГСФ-2, осциллограф-мультиметр С1-112А,
провода соединительные, конденсатор
разборный, набор диэлектриков,
штангенциркуль, блок «Поле в веществе».)
Описание метода и экспериментальной установки
Диэлектрическая
проницаемость определяется по измерению
емкости плоского конденсатора с
диэлектриком.
Сравнивают
напряжение UC
на исследуемом конденсаторе С
и напряжение U0
на соединённом с ним последовательно
эталонном конденсаторе С0
или эталонном сопротивлении R0
(рис.3.1 и 3.2). Если напряжения на эталонных
элементах много меньше напряжения на
исследуемом конденсаторе, в качестве
UС
можно взять напряжение генератора U.
В качестве вольтметров V1
и V2 используют осциллограф, измеряя
размахи напряжения.
Для схемы на рис.3.1
при произвольной форме и частоте сигнала:
(3.1)
Для схемы на рис.3.2
при синусоидальном сигнале частотой
:
; 
(3.2)
I. Емкость конденсатора.
Цель:
проверить формулу для емкости плоского
конденсатора.
Порядок работы
-
Определить емкость
разборного конденсатора при воздушном
зазоре:
1.1. С помощью
штангенциркуля снять размеры конденсатора,
вычислить его площадь S.
1.2. Определить
емкость воздушного конденсатора по
формуле:
,
где d0
= 2 мм.
-
Пользуясь
соединительными проводами, собрать
электрическую схему, предложенную на
рис.3.1, оставляя гнёзда для V1
и V2
, которые будут измеряться осциллографом. -
Подготовьте к
работе осциллограф – мультиметр:
3.1. Включите
осциллограф – мультиметр в сеть 220 В.
3.2. Тумблером
«MAINS» включите прибор и переключателем
«оscilloscope/ multimeter»
переведите прибор в режим осциллографа.
3.3. Присоедините
специальный провод к входу « Y
» осциллографа.
-
Подготовьте к
работе генератор:
4.1. Включить
генератор в сеть 220 В.
4.2. Тумблером «Сеть»
на ГСФ-2 включить генератор.
4.3. Тумблер «
ГЕН/ВНЕШ» в положение «ГЕН».
4.4. На выходе ГСФ-2
установите синусоидальное напряжение
частотой
= 2 – 3 кГц.
4.5. Подключить
генератор к выходам «вых» и «общ».
4.6. Тумблер «/0/=»
в положение «»,
тумблер «20В/1А» в положение «20В».
-
Представьте
собранную схему и подготовленные
приборы на проверку преподавателю или
лаборанту.
-
Ручкой «амплитуда»
доведите размах напряжения на генераторе
до 30 В.
-
Осциллографом
измерьте напряжение генератора U
и напряжение на конденсаторе UC0,
записав в таблицу результатов. -
Соберите схему,
представленную на рис.3.2 и снимите таким
же образом напряжение на генераторе U
и на сопротивлении UR0. -
По формулам (3.1) и
(3.2) определить ёмкость воздушного
конденсатора СВ
и найти его среднее значение.
-
Результаты
представить в виде таблицы:
Результаты эксперимента
=
пФ.
С0
= 9.8 нФ; R0
= 1,9 кОм.
Таблица 3.1
|
= Гц |
U= В |
UR0= В |
СВ= пФ |
|
= Гц |
U= В |
UС0= В |
СВ= пФ |
<
CВ
>
=
пФ.
2. Диэлектрическая проницаемость.
Цель:
найти значение диэлектрической
проницаемости для разных диэлектриков.
Сравнивая
ёмкость С1
конденсатора без диэлектрика с воздушным
зазором d0
c
ёмкостью С
конденсатора с диэлектриком толщиной
d,
находим диэлектрическую проницаемость:
. (3.3)