background image

 

- 18 - 

 

Przewodnik w równowadze                 Przewodnik w zewnętrznym polu elektrycznym 

 

Ładunek w przewodniku 

 
Udowodnimy, na podstawie prawa Gaussa, że dowolny ładunek wprowadzony do 

przewodnika zawsze musi się zbierać na jego powierzchni. 

 
 

 
Pomyslaną powierzchnią S wybieramy tuż 
poniżej realnej powierzchni przewodnika 
 

                        

0

Q

S

d

E

V

 

 

 
 

W równowadze, w dowolnym pkt. powierzchni S, pole elektryczne jest równe 0. 
 

0

0

Q

dS

E

V

 

 

Ponieważ pomyślaną powierzchnię S możemy wybrac dowolnie stad w każdym 
elemencie objętości Q=0 
 

Stąd ładunek wprowadzony do przewodnika musi się zawsze zbierać na jego 
powierzchni. 

Potencjał elektryczny przewodnika 

 

Znając pole elektryczne w przewodniku możemy obliczyć jego potencjał. 
 

 

 

background image

 

- 19 - 

const

V

V

r

d

E

V

V

V

1

2

2

1

1

2

0

 

 

Przewodnik stanowi obszar stałego potencjału. Pole elektryczne jest zawsze 

prostopadłe do powierzchni stałego potencjału, czyli jest zawsze prostopadła do 
powierzchni przewodnika. 
 

 

 

n

E

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

background image

 

- 20 - 

Pole elektryczne w dielektrykach 

 
W dielektryku, nie zawierającym swobodnych ładunków elektrycznych, obserwujemy 
ruch ładunków związanych polem dodatnim jonowym na odległości mikroskopowej. 

 
W objętości dielektryka tworzą się dipole elektryczne o momencie dipolowym p 
 

 

 
 
 

 
 
 

 
 

Zewnętrzne pole elektryczne indukuje moment dipolowy p związany z rozdzieleniem 
na odległości L ładunku q cząstki. 

 
Jeżeli w dielektryku mamy N cząsteczek na jednostkę objętości to wypadkowy 
moment dipolowy na jednostkę objętości jest równy: 

 

L

q

N

p

N

P

 

 
Wektor ten nazywany jest wektorem polaryzacji. 

 

 

 

Ponieważ cząsteczki pozostają obojętne elektrycznie średni ładunek w objętości 
dielektryka pozostaje równy 0. 
 

Dodatkowy ładunek Q

z

 pojawi się na powierzchni zewnętrznej dielektryka. Ładunek 

ten wytworzy dodatkowe pole elektryczne skierowane przeciwnie do pola 
zewnętrznego. 

background image

 

- 21 - 

 
Dla powierzchni S dielektryka wartość tego ładunku wynosi: 
 

q

N

L

S

Q

z

  

P

L

q

N

S

Q

z

z

 

 
Ten dodatkowy ładunek powierzchniowy wytwarza w objętości dielektryka pole 
wewnętrzne E

w

 skierowane przeciwnie do pola zewnętrznego E 

 

P

E

P

E

w

Z

w

0

0

0

1

 

 
 

 
 
Stad wypadkowe pole w dielektryku: 
 

P

E

E

d

0

1

 

 

Zakłada się, ze moment dipolowy jednostki objętości indukowany polem E jest do 

tego pola proporcjonalny 
 

d

E

P

0

 

 

Stała 

 nosi nazwę podatności elektrycznej dielektryka. Podstawiając: 

 

E

E

E

E

E

E

d

d

d

1

  

E

E

E

d

1

 

 
Przenikalność dielektryczna 

>1 mówi nam ile razy pole w dielektryku jest mniejsze 

od pola zewnętrznego. 

 

Prawo Gaussa w dielektrykach 

 
Obliczymy pole elektrostatyczne wytworzone prze z dwie płyty naładowane 
ładunkami 

 i 

 

 
              Bez dielektryka                                    Z dielektrykiem 

background image

 

- 22 - 

 

         

0

0

S

Q

dS

E

v

                    

0

0

0

'

)

(

)

(

S

P

S

Q

dS

E

z

v

 

 

 

Q

S

dS

P

E

v

)

(

0

 

 
 

 
Wprowadzamy wielkość wektorową – wektor indukcji elektrycznej: 
 





2

0

m

C

P

E

D

    

  

Q

S

d

D

v

 

Strumień wektora indukcji elektrycznej przez powierzchnie zamknięta równy jest  

ładunkowi swobodnemu zawartemu w obszarze ograniczonym ta powierzchnia. 
 
Dla najprostszego modelu polaryzacji dielektryka: 
 

E

E

E

D

E

P

0

0

0

0

)

1

(

 

 

E

D

0

 

 

Wektor indukcji elektrycznej 

 

 

              

D

   

0

E

                                   

D

    

0

E

 

background image

 

- 23 - 

                

)

1

1

(

P

           

 

 

          

0

P

 

                              

 

 

     

 

Pojemność elektryczna 

 
Kondensator stanowią dwa przewodniki (okładki) na których może się gromadzić 
ładunek elektryczny, jeżeli do okładek przyłożona będzie różnica potencjałów 

 
Pojemność C zdefiniowana jest jako stosunek nagromadzonego ładunku Q do różnicy 
potencjałów 

 





 

V

C

F

V

Q

C

 

 

 
 

 
 
 
 

Kondensator płaski: 
 

 

Różnica potencjałów pomiędzy płytami o 
powierzchniach S, odległych o d i naładowanych 
ładunkami Q wynosi: 

 

S

d

Q

V

0

 

 

Stąd pojemność kondensatora: 
 

d

V

Q

C

S

0

 

 
 

 

 

Pojemność 

 
Obliczamy pojemność na jednostkę długości omawianego wcześniej kabla 

koncentrycznego 
 

background image

 

- 24 - 

 
Pojemność na jednostkę długości: 

V

V

l

Q

l

C

C

l

 

 

2

2

0

2

2

0

ln

2

ln

2

r

r

C

r

r

V

l





 

 
 

 
 

 
 

Przykład

 Ile wynosi pojemność kabla hi-fi długości 1m, w którym wewnętrzny 

przewodnik na średnicę 1mm a osłona średnice 5mm 
 

]

[

5

.

34

]

[

10

5

.

34

]

[

5

ln

2

]

[

1

ln

2

12

0

2

2

0

pF

F

m

l

m

r

r

C

l





 

 

Energia pola elektrycznego w kondensatorze 

 
 

W kondensatorze gromadzona jest energia pola elektrycznego. 
 
W skutek stopniowego zwiększania różnicy potencjałów na kondensatorze od 
wartości 0 do 

0

 wzrasta jego ładunek od 0 do 

0

 

 
Praca zużytą na przeniesienie 
ładunku dQ z ujemnej okładki na 

dodatnią, zwiększająca do dU 
energię zgromadzona w 
kondensatorze, równa jest: 

 

dQ

V

dU

 

 

Całkowita energia zgromadzona w 
kondensatorze: 

 

0

0

0

2

0

0

2

1

Q

Q

C

Q

dQ

C

Q

dQ

V

U

 

 
 

background image

 

- 25 - 

 
 

Energie pola elektrycznego wygodniej jest wyrazić za pomocą natężenia pola: 
 

S

Q

E

0

0

    

d

S

E

U

d

S

C

2

0

0

 

 

Stąd gęstość energii pola 

E

 

2

0

E

d

S

U

E

 

 

Dielektryk w kondensatorze 

 
Dielektryk wprowadzony pomiędzy okładki kondensatora zmniejsza 

 razy wartość 

natężenia pola elektrycznego pomiędzy okładkami i zmienia jego pojemność 

 

0

C

d

E

Q

V

Q

C

 

 

 
Dla kondensatora płaskiego 
 

d

S

C

0

   

 

 

 
 
Obecność ośrodka dielektrycznego wpływa również na gęstość energii pola 

zgromadzoną w kondensatorze  
 

S

Q

E

0

0

    

2

0

2

0

0

E

d

S

U

d

S

E

U

d

S

C

E

 

 

background image

 

- 26 -