(განსაზღვრება) კონდენსატორი ეწოდება სისტემას. რომელიც შედგება ორი გამტარისაგან, რომელთა შორის, მათზე მოდულით ტოლი და ნიშნით საპირისპირო მუხტის მინიჭებისას, წარმოიქმნება გარე სხეულებისგან იზოლირებული ელექტრული ველი. აქ "იზოლირებულში" იგულისხმება მოთხოვნა, რომ დაძაბულობის ყველა ძალწირი იწყებოდეს ერთ გამტარზე და სრულდებოდეს მეორეზე დამოუკიდებლად იმისა, არის თუ არა კონდენსატორის სიახლოვეს დამუხტული ან დაუმუხტავი სხეულები. ასეთი პირობა შეიძლება განხორციელდეს მხოლოდ მაშინ, თუ გამტარები ერთმანეთთან ძალიან ახლოს (მათ ზომებთან შედარებით) არიან განლაგებულნი. ამ შემთხვევაში ველი პრაქტიკულად არ გამოდის გამტარების ფირფიტებს შორის მოთავსებული მცირე მიდამოდან. ამიტომ, მასზე არ მოქმედებს გარემოცვა - ველი არის იზოლირებული. რატომ არის ეს მნიშვნელოვანი ჩვენ ვნახავთ ოდნავ ქვევით. არსებობენ სხვადასხვა ტიპის კონდენსატორები. ბრტყელი კონდენსატორის დასახელებიდანაც ჩანს, რომ ის შედგება ორი ბრტყელპარალელური ლითონის ფირფიტისგან, რომლებიც გამოყოფილნი არიან ერთმანეთისგან დიელექტრიკით. არსებობენ სხვა ტიპის კონდენსატორებიც, მაგალითად, ცილინდრული, სფერული და ა.შ. მათთვის ასევე მნიშვნელოვანია გამტარის ფირფიტებს შორის მანძილის სიმცირე.
კონდენსატორები საჭიროა ელექტრული მუხტის, ელექტრული ენერგიისა და ელექტრული ველის დასაგროვებლად (კონდენსირებისთვის). ნებისმიერი ჭურჭლის უნარს დააგროვოს სითხე ახასიათებენ მისი ტევადობით. ანალოგიურად შემოდის "ელექტროტევადობის" ცნება. ელექტროტევადობა განისაზღვრება იმ მუხტის რაოდენობით, რაც უნდა მივაწოდოთ კონდენსატორის ფირფიტებს, რათა მათ შორის პოტენციალთა სხვაობა გახდეს ერთის ტოლი. (Si სისტემაში ეს არის 1ვოლტი).
(განსაზღვრება) კონდესატორის ელექტროტევადობა ეწოდება კონდენსატორის თითოეული ფირფიტის მუხტის მოდულის ფარდობას მათ შორის პოტენციალთა სხვაობაზე. ანალიზური ფორმით ეს ასე გამოიყურება:
(18.5)
აქ \(\varphi _{1}-\varphi _{2}\) არის ფირფიტებს შორის პოტენციალთა სხვაობა, ამასთან დადებითი ფირფიტის პოტენციალს აკლდება უარყოფითი ფირფიტის პოტენციალი, ანუ ეს სხვაობა დადებითი სიდიდეა. q როგორც ზევით აღვნიშნეთ არის თითოეული ფირფიტის მუხტის მოდული.
ახლა გავარკვიოთ, რატომ არის მოცემული მახასიათებელი ცალსახად განსაზღვრებადი და რაში დაგვჭირდა ფირფიტებს შორის აღძრული ველის იზოლირებულობის მოთხოვნა. ამისთვის ჩავწეროთ, როგორ შეიძლება გამოვთვალოთ ფირფიტებს შორის პოტენციალთა სხვაობა მათზე მოდულით ტოლი და ნიშნით საპირისპირო მუხტების მინიჭების შემდეგ:
ეს სამართლიანია ნებისმიერი ელექტრული ველისა და ნებისმიერი ტრაექტორიისთვის, რომელიც იწყება კონდენსატორის ერთ ფირფიტაზე (1) და მთავრდება მეორეზე (2).
თუ ველი იზოლირებულია, მაშინ მასზე არ მოქმედებს კონდენსატორის გარემომცველი სხეულები და ის სრულად განისაზღვრება გეომეტრული ფაქტორებით (ფირფიტების ფორმებით, ზომებით და მათ შორის დაშორებით) და ფირფიტების მუხტით. უფრო მეტიც, შეიძლება ვამტკიცოთ, რომ ამ შემთხვევაში ველის ნებისმიერ წერტილში მისი დაძაბულობა პროპორციულია ფირფგიტებზე q მუხტისა. ანუ შეგვიძლია ვიგულისხმოთ ასეთი პროპორციულობა:
~ ფირფიტებზე მუხტი (q).
მაგრამ ეს ხომ ნიშნავს, რომ მოცემული კონდენსატორის ფირფიტებს შორის პოტენციალთა სხვაობა მკაცრად პროპორციულია ფირფიტებზე გადაცემული მუხტისა. პროპორციულობის კოეფიციენტი კი სწორედ არის მისი ელეკტროტევადობის შექცეული სიდიდე:
(18.6)
აქედან კი გამომდინარეობს ზემოთ მოყვანილი განსაზღვრების კორექტულობა (ცალსახობა).
რაზეა კონდენსატორის ელეკტროტევადობა დამოკიდებული? ახლახანს ჩატარებული ანალიზიდან ჩანს, რომ უპირველეს ყოვლისა დამოკიდებულია გეომეტრულ ფაქტორმებზე:
1. ფირფიტების ზომები;
2. ფირფიტების ფორმები;
3. მათ შორის დაშორება.
არის კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი ფაქტორი, რომელიც მოქმედებს ელექტროტევადობაზე:
4. ფირფიტებს შორის მოთავსებული იზოლატორის დიელექტრული შეღწევადობა – \(\varepsilon\).
ჯერჯერობით ეს სიდიდე შემოვიღოთ ფორმალურად. ჩავთავალოთ, რომ ის ტოლია დიელექტრიკით შევსებული კონდენსატორის ელეკტროტევადობის ფარდობისა შეუვსებელი კონდენსატორის ელეკტროტევადობასთან:
(18.7)
შეიძლება თუ არა გავთვალოთ კონდენსატორის ელექტროტევადობა, ვიცით რა მისი გეომეტრია და \(\varepsilon\) ? ანალიზური სახით შედეგი შეიძლება მიიღწეს მხოლოდ ზოგიერთ უმარტივეს (თუმცა ყველაზე მნიშვნელოვან) შემთხვევაში, რომლებიც განსაზღვრული სიმეტრიებით ხასიათდება - ბრტყელი, ცილინდრული და სფერული კონდენსატორებისთვის. ვნახოთ როგორია თითოეულ ამ შემთხვევაში ელექტროტევადობის გათვლის პროცედურა.
- 1. უპირველეს ყოვლისა, უნდა განვსაზღვროთ ველის დაძაბულობა ფირფიტებს შორის სივცეში. რადგან საუბარი არის მხოლოდ ზემოთ ჩამოთვლილ სიმეტრიულ შემთხვევებზე, მოსახერხებელია გამოვიყენოთ გაუსის თეორემა.
- 2. ფირფიტებს შორის პოტენციალთა სხვაობა ახლა შეიძლება ვიპოვნოთ გამოსახულების გამოყენებით და ერთი ფირფიტიდან მეორეზე ძალწირების გასწვრივ უმარტივესი ტრაექტორიის შერჩევით. როგორც უკვე ვიცით შედეგი აუცილებლად იქნება ფირფიტის q მუხტის პროპორციული სიდიდე.
- 3. ელექტროტევადობის განსაზღვრების გამოყენებით ფირფიტის მუხტის მოდული გავყოთ ფირფიტებს შორის პოტენციალთა სხვაობაზე.
მაგალითი. ვაჩვენოთ, როგორ შეიძლება პრაქტიკაში გამოვიყენოთ ის ნაბიჯები, რომლებიც ზევით მოვიყვანეთ კონდენსატორის ელექტროტევადობის გასათვლელად მოვიყვანეთ.
1. ბრტყელი კონდენსატორი. ერთი შეხედვით გაუსის თეორემა არ გამოდგება ფირფიტებს შორის ველის დაძაბულობის განსასაზღვრად, რადგან ნათელია, რომ ასეთ სისტემაში ველი მნიშვნელოვნად ასიმეტრულია თითოეული დამუხტული ფირფიტის მიმართ. გაუსის თეორემაზე საუბრისას მოთხოვნილი პირობებების დამაკმაყოფილებელი ზედაპიორის შერჩევა შეუძლებელი გამოდის. თუ დროებით მოვაცილებთ ერთერთ ფირფიტას, ხოლო დარჩენილს ჩავთვლით უსასრულო სიბრტყედ (პრაქტიკაში თხელი დიდი ზომების ფირფიტა), მაშინ ყველაფერი იცვლება. ამ შემთხვევაში გაუსის თეორემის გამოყენების პროცედურა წარმოვადგინოთ "შემოკლებული სქემით".
დავიწყოთ ნახაზით. ჩვენს მიერ შერჩეულ სწორი წრიული ცილინდრის ჩაკეტილ ზედაპირში დაძაბულობის ვექტორის ნაკადი ტოლია:
ამ ზედაპირის შიგნით მოქცეული მუხტი ტოლია \(\sigma S_{base}\). გაუსის თეორემის თანახმა გვექნება:
და აქედან მივიღებთ ველის დაძაბულობას:
(18.8)
როგორც ვხედავთ, დაძაბულობა არ არის დამოკიდებული x კოორდინატზე - დამუხტული სიბრტყიდან მანძილზე, ანუ ეს ველი არის ერთგვაროვანი. რა თქმა უნდა, ეს შეესატყვისება მხოლოდ ჰიპოთეტურ შემთხვევას "უსასრულო დამუხტულ სიბრტყეს". სინამდვილეში ასეთი უსასრულო მუხტები არ არსებობს - პრაქტიკულად ეს ნიშნავს, რომ ჩვენს მიერ მიღებული შედეგი (18.8) სამართლიანი იქნება სიბრტყიდან ნცირე დაშორებებზე ფირფიტის კიდეებიდან კი შორს.
დავუბრუნდეთ ბრტყელი კონდენსატორის ფირფიტებს შორის ველის საკითხს. აღმოჩნდა რომ ამ ველის მოძებნა სულაც არ არის ახლა ძნელი მოსაძებნი სუპერპოზიციის პრინცციპის გამოყენებით. წარმოვადგინოთ მისი გამოყენება ამ ნახაზზე. თითოეული ფირფიტის მიერ შექმნილი ველების ძალწირები დავხაზოთ განსხვავებული ფერებით. მოჩანს, რომ ფირფიტებს შორის ძალწირები ერთნაირი მიმართულებისაა, ხოლო ფირფიტებს გარეთ საპირისპირო მიმართულებები აქვთ. რადგან ფირფიტების მუხტები მოდულებით ტოლია ამიტომ ტოლია მოდულებით მათ მიერ შექმნილი ველის დაძაბულობებიც. ეს ნიშნავს, რომ ფირფიტებს გარეთ ველები ერთმანეთს აქრობენ და შედეგობრივი ველის დაძაბულობა არის ნული. და პირიქით, ფირფიტებს შორის სივრცეში ველების მიმართულება ერთმანეთს ემთხვევა და შედეგობრივი დაძაბულობა გამოდის ორჯერ მეტი ვიდრე ერთი ფირფიტის ველის დაძაბულობა იქნებოდა. ჩავწეროთ გამოსახულება დაძაბულობის მოდულისთვის:
(18.9)
2. ბრტყელ კონდენსატორში ფირფიტებს შორის პოტენციალთა სხვაობის მოსაძებნად ავარჩიოთ ტრაექტორია ნებისმიერი ძალწირის გასწვრივ, ანუ შეიძლება ОХ ღერძის გასწვრივაც. მივიღებთ:
3. ახლა დაგვრჩა მხოლოდ გამოვიყენოთ კონდენსატორის ელექტროტევადობის განსაზღვრება და ფირფიტების მუხტებსა, მათ ზედაპიროს ფართობსა და ზედაპირული მუხტის სიმკვრივესს შორის ცხადი თანაფარდობით :
q-ზე შეკვეცით მივიღებთ ჰაერის (დიელექტრიკის გარეშე) კონდენსატორის ელექტროტევადობას. გავითვალისწინოთ, რომ ერთგვაროვანი დიელეტრიკით შევსებული კონდენსატორის ელექტროტევადობა, როგორც ეს გამომდინარეობს (18.7) გამოსახულებიდან, უდრის ჰაეროვანი კონდესატორის ელექტროვადობა გამრავლებული დიელექტრიკულ შეღწევადობაზე. საბოლოოდ ვღებულობთ ბრტყელი კონდენსატორის ელექტროტევადობის ფორმულას:
(18.10)
სადაც S არის კონდენსატორის ფირფიტის ფართობი, ხოლო d – ფირფიტებს შორის მანძილი.
ნახაზი თვალნათლივ გვიხსნის ამ მოვლენის არსს. გამტარის იმ ნაწილის ზედაპირზე, რომელიც ახლოს იმყოფება დადებით დამუხტულ გარეშე სხეულთან გროვდება თავისუფალი ელექტრონები, ხოლო მის საპირისპირო მხარეს წარმოიქმნება ელექტრონების დეფიციტი ანუ ის ზედაპირი ხდება დადებითად დამუხტული. წინა თავის 1 – 5 დებულებები ამ შემთხვევაშიც ძალაშია იმ განსხვავებით, რომ ამჟამად სხეულს არ აქვს ჭარბი მუხტი.
დებულება 3-ის თანახმად ჭარბი მუხტი ლოკალიზებულია თხელ ზედაპირულ ფენაში. იგივე შეიძლება ითქვას ინდუცირებულ მუხტზე. აქედან გამომდინარეობს კიდევ ერთი გარემოება: თუ გამტარს ნებისმიერ შიდა ნაწილს ამოვაცლით, ეს არანაირად არ აისახება მუხტების წონასწორობაზე გამტარში და ელექტრულ ველზე გამტარში და მის გარეთ. ამ შემთხვევაში ადგილი აქვს ე.წ. „გამტარი გარსის“ არსებობას. მოვიტანოთ რამდენიმე დებულება გამტარ გარსებზე, რომელთაც ხანდახან თეორემებს უწოდებენ ან ერთობლივად უწოდებენ ფარადეის თეორემას.
· ა) თუ გამტარი გარსის შიგნით არ არის დამუხტული სხეულები, მაშინ სივრცის ეს ნაწილი თავისუფალია ელექტრული ველისგან
ანუ, ველი, რომელიც შექმნილია გამტარის გარეთ მყოფი დამუხტული სხეულებით, არ აღწევს გამტარით შემოფარგლულ სივრცეში. ეს საფუძვლად უდევს ე.წ. „ელექტროსტატიკურ დაცვას“. გამტარით შემოფარგლულ სივრცეში შეიძლება მოთავსდეს ელექტრული სქემები, მოწყობილობები და გამზომი ხელსაწყოები ან თვით ექსპერიმენტატორიც. ამ შემთხვევაში გარსის შიგნით მოთავსებული ექსპერიმენტი დაცული იქნება გარე ელექტრული ველის ზემოქმედებისგან. რა მოხდება თუკი გარსის შიგნით ღრუში მოვათავსებთ დამუხტულ სხეულებს. ამ შემთხვევაში ღრუში ველი რა თქმა უნდა გაჩნდება.
·ბ) ჯამური მუხტი, რომელიც ინდუცირდება ღრუს შიდა ზედაპირზე, ტოლია ღრუს შიგნით არსებული მუხტების ალგებრული ჯამისა შებრუნებული ნიშნით.
ამ დებულების დასასაბუთებლად საკმარისია გამტარი გარსის შიდა და გარე ზედაპირებს შორის შერჩეული ნებისმიერი ჩაკეტილი S ზედაპირისთვის გამოვიყენოთ გაუსის თეორემა. რადგან გამტარის შიგნით ნებისმიერ წერტილში დაძაბულობა არის ნულის ტოლი ამიტომ ნულია ინტეგრალიც
, ანუ დაძაბულობის ვექტორის ნაკადი. შესაბამისად ნულია ამ ზედაპირის შიგნით ჯამური მუხტი:
ღრუს შიგნით ჯამური მუხტი +
გარსის შიდა ზედაპირზე ინდუცირებული მუხტი = 0.
სწორედ აქედან გამომდინარეობს თეორემის მტკიცებულებაც, ანუ:
(18.4)
გამტარის სრული მუხტის შენახვიდან (გარსი დამუხტული არ არის!) გამომდინარეობს კიდევ ერთი დებულება.
· გ) ინდუცირებული მუხტი, რომელიც გარსის გარე ზედაპირზე წარმოიქმნება, მოდულით ტოლია და ნიშნით საწინააღმდეგო იმ მუხტისა, რომელიც ინდუცირდება გარსის შიდა ზედაპირზე
სხვაგვარად რომ ვთქვათ, ის ზუსტად უდრის იმ მუხტს, რომელიც მოთავსებული გარის შიგნით ღრუ სივრცეში. გარსის შიგა ზედაპირზე ინდუცირებული მუხტის განაწილება დამოკიდებულია ღრუში არსებული მუხტების განაწილებაზე და გარსის ფორმაზე. ხოლო გარე გარსზე მუხტების განაწილება გამომდინარეობს მხოლოდ მისი ფორმიდან და არანაირად არ არის ღრუში მუხტების განაწილებაზე დამოკიდებული. გარე ზედაპირზე მუხტები განცალკევებულია ყველა მუხტისგან შიგნით სადაც ელექტრული ველი არ არის!
განვიხილოთ ელექტრული ველის თვისებები გარემოში. გავიხსენოთ, რომ გარემო შეიძლება იყოს „გამტარი“ ან „დიელექტრიკი“. პირველი მეორისგან იმით განსხვავდება რომ მასში არის საკმარისი რაოდენობის თავისუფალი ნაწილაკები, რომელთაც შეუძლიათ მუხტის გადატანა. ასეთ ნივთიერებებს შეუძლიათ ელექტრული დენის გატარება. დიელექტრიკები კი ეწოდება ნივთიერებებს, რომლებშიც თავისუფალი დამუხტული მიკრონაწილაკები არ არის. განვიხილოთ ელექტროსტატიკური ველის თავისებურებები გამტარების შემთხვევაში.
თუ ფუნქციით მოცემული გვაქვს ძალური ველი, ნებისმიერ ორ წერტილს შორის პოტენციალთა სხვაობა, როგორც ვიცით, არის:
(9.6)
გვაინტერესებს პირიქით, თუ ვიცით ფუნქცია φ (x, y, z) , მოვძებნოთ დაძაბულობა.
განვსაზღვროთ ველის ძალების მიერ qtst საცდელი მუხტის მცირე გადადგილებაზე შესრულებული მუშაობა ორი მეთოდით:
1. dA = qtst·El ·dl.
აქ გამოყენებულია ჩვენთვის გარგად ცნობილი თანაფარდობები:
dA = Fl •dl – ელემენტური მუშაობის განსაზღვრა;
Fl = qtst·El – დაძაბულობის განსაზღვრა;
2. dA = – qtst·dφ.
აქ დავეყრდენით პოტენციალთა სხვაობის განსაზღვრას qtst·(φ1 -φ2) = A12. ნიშანი “–“, აიხსნება იმით, რომ dφ - ეს არის პოტენციალის უსასრულოდ მცირე ნაზრდი Δφ = (φ2 - φ1) = –(φ1 - φ2).
ამოვწეროთ 1 და 2 თანაფარდობები განტოლებათა სისტემის სახით:
აქედან მივიღებთ:
ან: (17.12)
ეს თანაფარდობაა ნიშნავს, რომ ველის დაძაბულობის გეგმილი მიმართულებაზე ველის ამ წერტილიდან წერტილამდე ველის პოტენციალის ცვლილების სიჩქარის ტოლია. ნიშანი “–“ ასახავს იმ ფაქტს, რომ ველის დაძაბულობა მიმართულია პოტენციალის კლების მიმართულებით.
რადგან უსასრულოდ მცირე გადაადგილების მიმართულება ნებისმიერად გვქონდა აღებული, ამიტომ ის შეიძლება იყოს მიმართული ნებისმიერი კოორდინატთა ღერძის გასწვრივ და ამიტომ მივიღებთ:
. (17.13)
ამიტომ თვით ელექტრული ველის დაძაბულობის ვექტორისთვის შეგვიძლია დავწეროთ:
. (17.14)
ანუ მათემატიკურად ეს შეიძლება ჩაიწეროს გრადიენტის ოპერატორის მეშვეობითაც:
(17.15)
ნიშანი «მინუსი» გრადიენტის წინ მიუთითებს, რომ ელექტროსტატიკური ველის დაძაბულობის ვექტორი ყოველთვის მიმართულია მისი პოტენციალის კლების მიმართულებით.
მოვიყვანოთ მიღებული შედეგის გამოყენების მაგალითი.
მაგალითი. განვსაზღვროთ R რადიუსის მქონე თანაბრად დამუხტული რგოლის ელექტრული ველის დაძაბულობა რგოლის ღერძზე ველის φ(x) პოტენციალის ცნობილი დამოკიდებულებით. რგოლის მუხტია q, x – არის რგოლის ცენტრიდან დაშორება ღერძზე.
წინა თავში მივიღეთ, რომ (იხ. 17.11)
(17.15)-ის გამოყენებით მივირებთ:
შედეგი, რა თქმა უნდა, ზუსტად ემთხვევა ადრე მიღებულ გამოსახულებას (15.6).