7337

Энергия электрического поля

Лекция

Физика

Тема: Энергия электрического поля 1. Энергия уединенного заряженного проводника и системы заряженных проводников 2. Энергия заряженного конденсатора 3. Энергия электростатического поля. Объемная плотность энергии. 4. Пондеромоторные силы. Применение...

Русский

2013-01-21

73 KB

74 чел.

Тема: Энергия электрического поля

1. Энергия уединенного заряженного проводника

и системы заряженных проводников

2. Энергия заряженного конденсатора

3. Энергия электростатического поля. Объемная плотность энергии.

4. Пондеромоторные силы. Применение закона сохранения энергии к расчету пондеромоторных сил.

  1.  Энергия уединенного заряженного проводника и системы проводников

При сообщении проводнику некоторого заряда вокруг него возникает электрическое поле. Чтобы сообщить проводнику следующую порцию заряда необходимо совершить работу против сил этого поля. Так как электростатическое поле потенциально, то совершаемая работа идет на увеличение потенциальной энергии проводника.

Рассмотрим уединенный проводник с емкостью С и потенциалом . При перенесении заряда dQ из бесконечности на поверхность проводника необходимо совершить работу dA против сил поля

. (1)

Обе величины в правой части формулы (1) являются переменными. Используя связь между величинами С,  и Q приведем праву часть к одной переменной. Для этого  выразим dQ через и подставим в формулу (1)

. (2)

Чтобы найти работу по зарядке проводника от нулевого потенциала до некоторого потенциала  проинтегрируем выражение (2)

.(3)

По определению эта работа равна изменению потенциальной энергии. Поэтому энергия уединенного проводника, заряженного до потенциала  определяется формулой

. (4)

Используя связь между величинами С,  и Q формула (4) может быть представлена в нескольких видах

. (5)

Применяя принцип суперпозиции электрических полей можно получить следующую формулу для энергии системы из n неподвижных заряженных проводников

, (6)

где – потенциал суммарного поля в той точке, где находится проводник с зарядом Qi.

  1.  Энергия заряженного конденсатора

Процесс зарядки конденсатора можно представить как последовательное перемещение малых порций dQ заряда с одной пластины (обкладки) на другую. Если первоначально пластины нейтральны, то перенос, например, положительного заряда с первой пластины на вторую приведет к возникновению отрицательного заряда на первой пластине. Следовательно, в результате таких переносов первая пластина будет заряжаться отрицательно, а вторая – положительно. Между пластинами возникнет постепенно возрастающая разность потенциалов 12=U. Вывод формулы для энергии заряженного конденсатора аналогичен приведенному выше выводу формулы (4). Отличие состоит в замене потенциала    на разность потенциалов U

. (7)

Таким образом, формула для энергии заряженного конденсатора имеет следующий вид

. (8)

                                                                          

3. Энергия электростатического поля. Объемная плотность энергии.

При изучении поля неподвижных зарядов мы не можем рассматривать отдельно электрический заряд и созданное им электрическое поле. Поэтому, оставаясь в рамках электростатики, нельзя однозначно указать, является ли носителем электрической энергии электрический заряд либо электрическое поле. Изучение переменных электромагнитных полей показало, что они могут существовать отдельно от породивших их электрических зарядов и распространяться в пространстве в виде электромагнитных волн. Факт существования электромагнитных волн и переноса ими энергии позволяет утверждать, что энергия заряженных проводников сосредоточена в электрическом поле. Учитывая это, преобразуем формулу (7) для энергии заряженного конденсатора таким образом, чтобы в него входила характеристика поля – его напряженность.  Для этого в (7) вместо емкости С подставим выражение для емкости плоского конденсатора , а напряжение U заменим выражением  . Тогда для энергии заряженного конденсатора получим

. (9)

Произведение  в формуле (9) равно объему V, занимаемому электрическим полем. Поделив левую и правую части формулы (9) на объем V  получим формулу для объемной плотности энергии w (энергии, приходящейся на единицу объема)

или   . (10)

Учитывая связь электрического смещения D с поляризованностью Р диэлектрика ,  можно получить другую формулу для объемной плотности энергии электрического поля

. (11)

В формуле (11) первое слагаемое выражает плотность энергии электрического поля в вакууме, а второе слагаемое выражает энергию, затрачиваемую на поляризацию единицы объема диэлектрика.

В общем случае неоднородного электрического поля его энергию в некотором объеме V можно вычислить по формуле

. (12)

4. Пондеромоторные силы. Применение закона сохранения энергии к расчету пондеромоторных сил.

На всякое заряженное тело, помещенное в электрическое поле, действуют механическая сила. Пондеромоторными называются силы, действующие со стороны электрического поля на макроскопические заряженные тела.

Определим силу  взаимного притяжения между разноименно заряженными пластинами плоского конденсатора (пондеромоторную силу) двумя способами.

С одной стороны эту силу можно определить как силу F2 , действующую на вторую пластину со стороны первой

, (14)

где Q2 – величина заряда на второй пластине, E1– напряженность поля первой пластины.

Величина заряда Q2 второй пластины определяется формулой

, (15)

где σ2 – поверхностная плотность заряда на второй пластине, а напряженность Е1 поля, создаваемого первой пластиной вычисляется формулой

, (16)

где σ1 – поверхностная плотность заряда на первой пластине.

Подставим формулы (16) и (15) в формулу (14)

или  (17) т.к. σ1= σ2.

Учитывая, что , получим формулу для силы, действующей на одну пластину со стороны другой

.

Для силы, действующей на единицу площади пластины, формула будет иметь следующий вид

. (18)

Теперь получим формулу для пондеромоторной силы, используя закон сохранения энергии. Если тело перемещается в электрическом поле, то пондеромоторными силами поля будет совершаться работа А. По закону сохранения энергии эта работа будет совершаться за счет  энергии поля, то есть

или . (19)

Работа по изменению расстояния между пластинами заряженного конденсатора на величину dx определяется формулой

, (20)

где F – сила взаимодействия между обкладками (пондеромоторная сила).

Энергия заряженного конденсатора определяется формулой (9). При смещении одной из обкладок на расстояние dx  энергии  конденсатора изменится на величину  

(21).

Приравняв формулы (20) и (21), получим формулу для силы, действующей на единицу площади пластины

(22).

Как видим, формулы (18) и (22) одинаковые. Вместе с тем использование закона сохранения энергии для расчета пондеромоторных сил намного упрощает расчеты.

Вопросы для самопроверки:

1. Вывести формулу для энергии уединенного заряженного проводника и системы проводников.

2. Что является носителем электрической энергии? Что понимают под объемной плотностью энергии? Вывести формулу для  объемной плотности энергии электрического поля.

3. Что понимают под пондеромоторными силами? Как можно рассчитать силу взаимодействия обкладок заряженного конденсатора?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

43836. Проект станции технического обслуживания с разработкой участка по ремонту и окраске кузовов легковых автомобилей 2.82 MB
  Эксплуатационные повреждения кузова Аварийные повреждения кузова Нарушение геометрии кузова.Общие требования при устранении перекосов кузова Планировочное решение зон ТО и ТР и производственных участков
43837. Расчет водоснабжения спортивно-оздоровительной базы «Бережок» 1.54 MB
  Таким образом целью дипломного проекта является создание системы водоснабжения базы отдыха Бережок включая проектирование водозаборных сооружений нужной производительности и степени надежности сооружений очистки воды до питьевых нормативов внутренних и наружных водопроводных сетей и сооружений а также мероприятий по пожаротушению. Грунтовые воды Высота стояния грунтовых вод низкая. Воды не напорные не агрессивны по отношению к бетону. Показатели качества воды в озере представлены санитарноэпидемиологической службой Вологодской...
43838. Разработка стандарта организации «Управление несоответствующей продукцией» системы менеджмента качества (СМК) «Орловский завод» ОАО «Северсталь-метиз» 2.26 MB
  Аудит процесса Управление несоответствующей продукцией Описание исходного состояния процесса на предприятии Разработка модели процесса Результаты аудита процесса
43839. Программный комплекс классифицирования выпускников вуза (учебный аспект) 3.2 MB
  Разработка структуры данных Разработка инфологической модели данных Разработка даталогической модели данных Проектирование схемы базы данных
43840. Гражданско-правовое положение акционерного общества 649 KB
  Российское законодательство со всей очевидностью отдает предпочтение форме акционерного общества предоставляя ему право осуществлять практически любые виды предпринимательской деятельности. Одновременно существует убеждение что коммерческая организация в процессе своего функционирования не только вправе осуществлять любые виды деятельности и совершать любые сделки но и что это допустимо независимо от ее финансового состояния. ГК РФ устанавливает что...
43841. Сущность права на иск в гражданском и арбитражном процессе 384.5 KB
  Понятие иска. Элементы иска. Предпосылки права на предъявление иска. Порядок предъявления иска и последствия его не соблюдения в гражданском процессе.
43842. Разработка системы спутникового приема, с учетом обеспечения требуемого количества телевизионных сигналов, информационных потоков и сигналов IP- телефонии 1.18 MB
  Первые искусственные спутники земли ИСЗ выводились носителями мощности которых не хватало для вывода груза на геостационарную орбиту. Прием телевизионных и других информационных сигналов мы будем осуществлять с...
43843. Моделирование на ARIS бизнес-процессов с учётом требований безопасности 1.08 MB
  Темой дипломной работы является: âМоделирование на RIS бизнеспроцессов с учётом требований безопасности. Объектом исследования являются∙ инструментальная среда RIS регламент Центра сертификации ключей ЗАО Инфраструктура открытых ключей. Цели и задачи исследования ознакомление с принципами работы инструментальной среды RIS способами моделирования бизнеспроцессов. моделирование регламента Центра сертификации ключей ЗАО Инфраструктура открытых ключей с учётом требований безопасности...
43844. Правове регулювання укладання та виконання господарських договорів 649.5 KB
  Загальна характеристика зобовязальних правовідносин Поняття та склад зобовязання Норми які регулюють зобовязання становлять один із найважливіших інститутів цивільного права зобовязальне право. Норми зобовязального права є найбільш значною частиною цивільного законодавства. Система зобовязального права складається із інститутів Загальної частини та інститутів Особливої частини. Загальна частина включає: поняття зобовязання сторони в зобовязанні; виконання зобовязання; забезпечення виконання зобовязання; припинення...