background image

 

 

20-1 

Wykład 20 

20.  Elektrostatyka II 

20.1  Obliczanie potencjału 

Rozważmy  np.  różnicę  potencjałów  (napięcie)  pomiędzy  środkiem  i  powierzchnią 

naładowanej powłoki kulistej. 

Ponieważ E = 0 (wzdłuż drogi całkowania) więc 

0

d

=

=

B

A

A

B

V

V

r

E

 tzn. w środku 

i na powierzchni jest ten sam potencjał. 
Z powyższego wzoru wynika, że 
 

 

r

V

E

d

d

=

 

(20.1) 

 

Przykład 1 

 

Obliczyć  potencjał 

V

  i  pole  E  w  odległości 

r

  od  dipola  ustawionego  wzdłuż  osi 

x

Moment dipolowy

 

p = qL

 i dodatkowo 

r

 >> 

L

 

-q 

+q 

θ 

 

Jeżeli 

r

 >> 

L

 to punkt 

P

 jest odległy od ładunku +

q

 o: 

 

r

 – (1/2)

L

cos

θ

 

 
oraz od –

q

 o: 

 

r

 + (1/2)

L

cos

θ

 

 
Całkowity potencjał jest sumą 
 

θ

θ

θ

θ

2

2

2

cos

4

cos

cos

2

1

)

(

cos

2

1

L

r

qL

k

L

r

q

k

L

r

q

k

V

=

+

+

=

 

 

background image

 

 

20-2 

Dla 

r

 >> 

L

 otrzymujemy ostatecznie 

 

3

2

cos

r

x

kp

r

p

k

V

=

θ

 

 

)

1

cos

3

(

2

3

=

=

θ

r

kp

x

V

E

x

 

 

θ

θ

sin

cos

3

3

r

kp

y

V

E

y

=

=

 

 
Teraz rozpatrzmy pole i różnicę potencjałów dla dwóch przeciwnie naładowanych płyt 
o polu powierzchni S znajdujących się w odległości d od siebie. Jeżeli ładunki na pły-
tach wynoszą odpowiednio +Q i –Q to gęstości ładunków wynoszą Q/S i –Q/S.  
 

V = – Ed 

 
Zgodnie z naszymi obliczeniami 
 

V = 

σ

d/

ε

0

 

 

 

S

Qd

V

0

ε

=

 

(20.2) 

 
Na  zakończenie  zaznaczmy,  że  powierzchnia  każdego  przewodnika  jest  powierzchnią 
stałego potencjału (

powierzchnią ekwipotencjalną

). 

20.2

 

Pojemność 

Kondensator

 - układ przewodników, który może gromadzić ładunek elektryczny. 

Definicja

 pojemności 

 

 

U

Q

V

Q

C

=

=

 

(20.3) 

 
Jednostka farad. 1F = 1C/1V. 
Powszechnie stosuje się 

µ

F, nF, pF. 

Dla kondensatora płaskiego na podstawie (20.3) i (20.2) 
 

 

d

S

U

Q

C

0

ε

=

=

 

(20.4) 

 

background image

 

 

20-3 

20.3

 

Energia pola elektrycznego 

Początkowo  nie naładowany kondensator ładuje się od 0 do napięcia U. Wtedy ła-

dunek wzrasta od 0 do Q, gdzie Q = CU. 
Praca zużyta na przeniesienie ładunku dq z okładki "–" na "+" wynosi 
 

dW = Udq 

Całkowita praca wynosi więc 
 

 

C

Q

q

C

q

q

U

W

Q

Q

2

0

0

2

1

d

d

=

=

=

 

(20.5) 

 
Dla kondensatora płaskiego  

ES

Q

czyli

S

Q

E

0

0

,

ε

ε

=

=

 

 
Podstawiamy to do wzoru na energię i otrzymujemy 
 

(

)

C

ES

W

2

2

0

ε

=

 

 
Podstawiając wyrażenie na C dostajemy 
 

Sd

E

W

2

2

0

ε

=

 

 
Sd - objętość kondensatora, więc 

gęstość energii

 w = W/Sd 

 

 

2

0

2

1

E

w

ε

=

 

(20.6) 

 

Jeżeli w jakimś punkcie przestrzeni jest pole E to możemy uważać, że jest tam zmagazy-

nowana energia w ilości

2

0

2

1

E

ε

na jednostkę objętości

20.4

 

Dielektryki 

Rozważaliśmy pole elektryczne od przewodników w próżni.  

Stwierdzamy, że umieszczenie materiału 

nieprzewodzącego (dielektryka)

 między okład-

kami kondensatora powoduje zwiększenie pojemności od wartości C do wartości C'. 

 

C

C'

=

κ

 

 
gdzie 

κ

 jest 

względną przenikalnością elektryczną

 

(stałą dielektryczną). 

background image

 

 

20-4 

20.4.1  Dielektryki, pogląd atomistyczny 

Dwie możliwości: 

• 

cząsteczki polarne np. H

2

O mające trwałe momenty dipolowe p  

• 

cząsteczki  (atomy)  mają  indukowany  (przez  zewnętrzne  pole  E)  moment  dipolowy 

(przykład z atomem wodoru - Wykład 19). 
 

Przykład 2  

Atom wodoru umieszczony w zewnętrznym polu E

0

.  

Siła F = – eE

0

 przesuwa chmurę elektronową o x

0

 względem rdzenia (protonu). Wów-

czas atom ma moment indukowany p = ex

0

Pole w miejscu protonu 

E = E

0

 + E

chmura 

 

0

3

0

x

R

ke

E

E

=

 

 
Ponieważ proton (rdzeń) w położeniu równowagi więc E = 0, skąd dostajemy 
 

0

3

0

E

ek

R

x

=

 

 
Indukowany moment dipolowy jest zatem równy 
 

0

3

0

E

k

R

ex

p

=

=

 

 
Elektryczne  momenty  dipolowe  p  dążą  do  ustawienia  zgodnie  z  kierunkiem  pola,  a 
momenty indukowane są równoległe do pola. Materiał w polu E zostaje 

spolaryzowany

 

(rysunek). 

 

-  + 

-  + 

-  + 

-  + 

-  + 

-  + 

-  + 

-  + 

-  + 

-  + 

-  + 

-  + 

-  + 

-  + 

-  + 

-  + 

-  + 

-  + 

-  + 

-  + 

 

W rezultacie dodatni ładunek gromadzi się na jednej, a ujemny na drugiej powierzchni 

dielektryka. Wewnątrz nie pojawia się żaden ładunek. 

Indukowany ładunek powierzch-

background image

 

 

20-5 

niowy

 q' pojawia się więc gdy dielektryk umieścimy w polu elektrycznym. 

Wybieramy powierzchnię Gaussa (linia przerywana). 
 

ES=(q – q')/

ε

0

 

 

E = (q – q')/(

ε

0

S) 

 
Pojemność takiego kondensatora 
 

C

q

q

q

d

S

q

q

q

Ed

q

V

q

C

'

'

'

0

=

=

=

=

ε

 

 
Dzieląc przez C otrzymamy 

'

'

q

q

q

C

C

=

= κ

 

20.4.2  Dielektryki - rozważania ilościowe. 

Jeżeli  każda  cząsteczka  ma  średni  moment  dipolowy 

p

  skierowany  zgodnie  z  po-

lem  E  i  jeżeli  w  dielektryku  jest  N  cząsteczek  to  całkowity  moment  dipolowy  p

całk

  = 

N

p

 

Z drugiej strony ładunek (indukowany) jest na powierzchni więc 
 

p

całk

 = q'd 

Łącząc te wyrażenia 
 

q'd = N

p

 

 

q'd = (nSd)

p

 

 
gdzie n jest ilością cząsteczek w jednostce objętości. 
 

q' = nS

p

 

 
Podstawiamy to do wzoru na 

κ

 

 

p

nS

q

q

q

q

q

=

=

'

κ

 

 
Obliczyliśmy, że 
 

0

3

0

E

k

R

ex

p

=

=

 

 

background image

 

 

20-6 

Podstawiając E = (q – q')/(

ε

0

S) 

 

S

q

q

R

S

q

q

k

R

p

'

4

)

'

(

3

0

3

=

=

π

ε

 

 
Wstawiając to do wyrażenia na 

κ

 

 

κ

π

π

π

κ

1

4

1

1

'

4

1

1

'

4

3

3

3

n

R

q

q

q

n

R

S

S

q

q

n

R

q

q

=

=

=

 

 
Obliczamy 

κ

 

κ

 = 1 + 4

π

nR

3

 

 

20.5

 

Trzy wektory elektryczne 

Przypomnijmy, że:  E

0

 = q/

ε

0

Pokazaliśmy,  że  wprowadzenie  dielektryka  zmniejsza  pole  elektryczne  (indukowany 
ładunek daje pole przeciwne do E

0

 

E = (q – q')/(

ε

0

S)  

lub  

E = E

0

/

κ

 = q/(

ε

0

S

κ

 
Łącząc te równania dostajemy 
 

S

q

S

q

S

q

0

0

0

'

ε

ε

κ

ε

=

 

 
Mnożąc przez 

ε

0

 i przenosząc wyrazy otrzymujemy 

 

S

q

S

q

S

q

'

0

0

+

=

κε

ε

 

 
Przepisujemy to równanie w postaci 
 
 

 D

 = 

ε

0

E

 + P  

(20.8) 

 
D

E

P

 są wektorami odpowiednio:

 

indukcji elektrycznej, natężenia pola, polaryzacji

 
Na rysunku pokazane są odpowiednie wektory. 
 
D

 - ładunek swobodny 

ε

0

E

 - wszystkie ładunki 

P

 - ładunek polaryzacyjny 

 

background image

 

 

20-7 

 

 

+  +  +  +  +  +  +  +  +  +  + 

 

 

 

 

 

 

 

+  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +   

ε

0