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

70 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

83566. Загальна колективна безпека. Право на самооборону та гуманітарна інтервенція 37.54 KB
  Колективна безпека – це система спільних дій держав та або міжнародних організацій з метою підтримання міжнародного миру та безпеки попередження або припинення за допомогою адекватних та легітимних засобів актів агресії. Залежно від рівня створення систем колективної безпеки розрізняють два їх види – загальну універсальну та регіональні системи колективної безпеки. Основи загальної колективної безпеки заклав Статут ООН. Характерною рисою системи безпеки ООН перш за все є попередження загрози миру шляхом створення і підтримки усесторонньої...
83567. Регіональні міжнародні організації у системі колективної безпеки. Організація з безпеки і співробітництва в Європі, Організація Північноатлантичного договору 37.3 KB
  Організація з безпеки і співробітництва в Європі Організація Північноатлантичного договору Статут ООН містить спеціальний розділ VIII про регіональні угоди і органи для вирішення питань що відносяться до підтримки миру і безпеки на регіональному рівні. Рада Безпеки заохочує мирне вирішення суперечок в рамках таких угод і органів. Без повноважень Ради Безпеки вони не можуть вчиняти примусові дії за винятком тих що здійснюються в порядку колективної самооборони.
83568. Заходи зміцнення довіри. Міжнародний контроль 36.51 KB
  Заходи зміцнення довіри порівняно новий елемент системи міжнародної безпеки. Першими міжнародноправовими актами з даного питання можна вважати Угоди між СРСР і США про заходи щодо зменшення небезпеки виникнення ядерної війни 1971 р. Саме поняття заходи зміцнення довіри було введено в обіг Заключним актом НБСЄ 1975 р. Заходи довіри розроблялися і Генеральною Асамблеєю ООН.
83569. Роззброєння. Договір ПРО 39.94 KB
  Вона припускає розпуск збройних сил ліквідацію військових споруд і озброєнь; знищення і припинення виробництва зброї масового знищення а також засобів її доставки; скасування органів військового керівництва і припинення військового навчання; припинення витрачання коштів на військові цілі. І Особливе значення має запобігання вживанню ядерної зброї і інших видів зброї масового враження хімічної бактеріологічної радіологічної екологічної. Генеральна Асамблея ООН прийняла ряд резолюцій що забороняють застосування ядерної зброї. був...
83570. Поняття та джерела права збройних конфліктів 38.01 KB
  Право збройних конфліктів являє собою самостійну галузь міжнародного права принципи і норми якої регулюють допустимість засобів і методів ведення війни забезпечують захист жертв збройних конфліктів встановлюють взаємостосунки між воюючими і невоюючими державами. Ми можемо знайти правила ведення війни у правових памятниках старовини та у практиці держав. Так ще Закони Ману містили норми про заборону деяких засобів ведення війни зокрема отруйних стріл. Або загальновідоме Іду на Ви князя Святослава як звичай оголошення війни.
83571. Поняття та види збройних конфліктів 36.34 KB
  Розрізняють міжнародні збройні конфлікти і збройні конфлікти неміжнародного характеру. міжнародними збройними конфліктами визнаються такі конфлікти коли один суб’єкт міжнародного права застосовує збройну силу проти іншого суб’єкта. міжнародними є також збройні конфлікти в яких народи ведуть боротьбу проти колоніального панування і іноземної окупації та проти расистських режимів в здійснення свого права на самовизначення. Збройні конфлікти неміжнародного характеру це збройні конфлікти що не підпадають під дію ст.
83572. Початок війни і його правові наслідки. Цілі війни. Театр війни 37.66 KB
  Цілі війни. Театр війни Відповідно до Гаазької конвенції про відкриття військових дій 1907 р. держави визнають що військові дії між ними не повинні починатися без попереднього і недвозначного попередженняяке матиме або форму мотивованого оголошення війни або форму ультиматуму з умовним оголошенням війни.
83573. Нейтралітет під час війни 37.1 KB
  Права і обов’язки нейтральних держав під час війни воюючих сторін відносно нейтральних держав а також фізичних осіб як нейтральних так і воюючих держав регламентуються V Гаазькою конвенцією про права і обов’язки нейтральних держав та осіб у разі сухопутної війни 1907 р. Нейтральна держава не повинна забезпечувати воюючих зброєю військовими та іншими засобами. Разом з тим вона не зобов’язана перешкоджати вивозу або транзиту з місць бойових дій за рахунок того або іншого з воюючих зброї боєприпасів на умовах взаємності і однакового...
83574. Захист поранених і хворих під час війни 36.94 KB
  Норми про захист поранених і хворих у сухопутній війні містяться у І Женевській конвенції про поліпшення долі поранених і хворих у діючих арміях 1949 р. Перший Додатковий протокол поширив цей режим на всіх поранених і хворих військових або цивільних які потребують негайної медичної допомоги. Воюючі зобов\'язані вживати негайних заходів для пошуку і збору поранених і хворих.