The solution at revision #20864 of , by Valter. This is not the current version.

Условие

6.6.27. Конденсатор (см. задачу ), заряженный до разности потенциалов , разрядили, замкнув ключ до нуля за время, в течение которого состояние поляризации диэлектрика не изменилось, а затем ключ разомкнули.

а Какая разность потенциалов установится на конденсаторе, если диэлек-
трическая проницаемость среды ?

б Найдите, на сколько изменится температура диэлектрика при этом процессе. Удельная теплоемкость диэлектрика ДжкгК, его плотность кгм, расстояние между пластинами конденсатора мм, разность потенциалов В. Считать, что диэлектрик не обменивается теплом с окружающей средой.

Решение

В задаче рассматривается эффект диэлектрической абсорбции. За счет инерционности поляризации связанные заряды не успевают перестроиться при быстром изменении напряжения на обкладках.

а. Нахождение установившейся разности потенциалов


1. Начальное состояние
Пусть — геометрическая емкость пустого конденсатора.
До замыкания ключа конденсатор заряжен до напряжения . Полный свободный заряд на обкладках:

Связанный (поляризационный) заряд на поверхности диэлектрика определяется поляризованностью среды и равен:

2. Быстрое замыкание ключа
При кратковременном замыкании ключа разность потенциалов между обкладками падает до нуля (). Следовательно, макроскопическое электрическое поле внутри конденсатора исчезает ().
По условию поляризация диэлектрика не успевает измениться, поэтому связанный заряд остается прежним, оставаясь «замороженным» в объеме среды. Чтобы полное поле внутри равнялось нулю, на обкладках должен остаться такой свободный заряд , который своим полем полностью скомпенсирует поле связанных зарядов:

3. После размыкания
Ключ размыкают, изолируя свободный заряд на обкладках. С течением времени дипольные моменты в диэлектрике начинают дезориентироваться, приходя в тепловое равновесие со свободным зарядом. В новом установившемся состоянии связь между зарядом и напряжением вновь описывается статической диэлектрической проницаемостью .
Конечная разность потенциалов:


б. Изменение температуры диэлектрика

Процесс релаксации (дезориентации диполей) сопровождается выделением тепла , равным разности энергий системы сразу после размыкания ключа () и в конечном установившемся состоянии ().

1. Энергия системы сразу после размыкания
Макроскопическое поле равно нулю, поэтому энергия электрического поля отсутствует. Однако энергия запасена в самом поляризованном диэлектрике (потенциальная энергия упруго ориентированных диполей).
Объемная плотность энергии поляризации равна:

Учитывая, что начальная поляризованность , полная начальная энергия равна:

2. Конечная энергия системы
После завершения релаксации конденсатор обладает зарядом и статической емкостью :

3. Тепловой баланс
Выделившееся тепло :

Распишем емкость и приравняем тепло к энергии нагрева диэлектрика , где масса :

Отсюда выражаем изменение температуры:

4. Численный расчет
В условии задачи для воды () указана удельная теплоемкость Дж/(кг·К).

Примечание: это известная опечатка в задачнике, реальная теплоемкость воды Дж/(кг·К). Однако расчет проведем строго по числам, данным в условии.

Подставляем значения: , Ф/м, В, Дж/(кг·К), кг/м³, м.

К

Ответ

а.
б. К