Энергия электрического поля – Формулы по физике.рф
Энергия электрического поля — Энергия заряженного конденсатора равна работе внешних сил, которую необходимо затратить, чтобы зарядить конденсатор
В формуле мы использовали :
— Энергия электрического поля
— Диэлектрическая проницаемость среды
— Диэлектрическая постоянная
— Объем занимаемый электрическим полем
— Напряжение
— Площадь обкладок
— Расстояние между обкладками конденсатора
xn--e1adcbkcgpcji1bjh6h.xn--p1ai
5.Энергия электрического поля
Вычислим энергию заряженного конденсатора С. Для этого обозначим через U мгновенное значение напряжения на обкладках конденсатора в процессе разряда. Если малое количество заряда dq проходит в процессе разряда с одной обкладки на другую, то работа электрических сил dА будЕТ dА =U dq.
Выражая в этой формуле заряд обкладок q через напряжение Q = CU, получим dA = CU dU.
Полную работу, совершаемую электрическими силами за все время разряда, равную энергии конденсатора W, мы получим, интегрируя это выражение между значениями напряжения U (начало разряда) и 0 (конец разряда). Это дает:
A=
— W
= C
Можно (1) переписать:
W = CU2/2 = q2/2C = qU/2. (2)
А где именно, т.е. в каком месте в конденсаторе локализована эта энергия? — На обкладках конденсатора, т.е. на электрических зарядах, или в его электрическом поле, т.е. в пространстве между обкладками. В дальнейшем мы сможем ответить на этот вопрос, что энергия сосредоточена в электрическом поле. Дальнейшее развитие теории и эксперимента показало, что переменные во времени электрические и магнитные поля могут существовать обособленно, независимо от возбудивших их зарядов, и распространяются в пространстве в виде электромагнитных волн, способных переносить энергию.
Учитывая это, мы можем преобразовать (2) т.о., чтобы в него входила характеристика поля — его напряженность.
Рассмотрим вначале однородное поле и применим формулу (1) к плоскому конденсатору. Мы получим
W = ee0SU2/2d = ee0(U/d)2Sd/2, но
U/d=E, a Sd — объём, занимаемый полем.
Мы видим, что энергия однородного электрического поля пропорциональна объёму, занимаемому полем. Поэтому целесообразно говорить об энергии каждой единицы объёма, или об объёмной плотности энергии электрического поля. Она равна
W1 = ee0E2/2 = ED/2, т.к. V = Sd = 1.
Последнее выражение справедливо только для изотропного диэлектрика.
Если электрическое поле неоднородно, то его можно разбить на элементарные объемы dV и считать, что в пределах бесконечно малого объема это поле однородно. Поэтому энергия, заключенная в объеме поля dV, будет W1dV, а полная энергия любого электрического поля может быть представлена в виде
W
= (e0/2)
dV,
Причем интегрирование проводится по всему объему V, где имеется электрическое поле.
6.Постоянный электрический ток
Электрическим током называется направленное движение электрических зарядов. Ток, возникающий в проводнике вследствие того, что в нем создастся электрическое поле, называется током проводимости. При движении зарядов нарушается их равновесное распределение: поверхность проводника уже не является эквипотенциальной и электрические силовые линии не направлены ^ ей, т.к. для движения зарядов необходимо, чтобы на поверхности проводника тангенциальная составляющая напряженности электрического поля не равнялась нулю (Et¹ 0). Но тогда и внутри проводника должно существовать электрическое поле, ибо, как известно из электростатики, внутри проводника нет поля лишь в случае равновесного распределения зарядов по поверхности этого проводника. Перемещение зарядов — электрический ток — продолжается до тех пор, пока все точки проводника не станут эквипотенциальными.
Т.о., для появления и существования электрического тока проводимости необходимы два условия.
Первое- наличие в данной среде носителей заряда, т.е. заряженных частиц, которые могли бы в ней перемещаться. Такими частицами, как мы убедимся далее, в металлах являются электроны проводимости, в жидких проводниках (электролитах) — положительные и отрицательные ионы; в газах — положительные ионы и электроны, а также иногда и отрицательные ионы.
Второе — наличие в данной среде электрического поля, энергия которого затрачивалась бы на перемещение электрических зарядов. Для того чтобы ток был длительным, энергия поля должна все время пополняться, иными словами, нужен источник электрической энергии -устройство, в котором осуществляется преобразование какого-либо вида энергии в энергию электрического поля. В зависимости от свойств этих источников в электротехнике различают источники напряжения и источники тока. Поэтому во избежание неточностей мы будем в дальнейшем пользоваться только термином «источник электрической энергии».
Упорядоченное движение зарядов можно осуществить и другим способом — перемещением в пространстве заряженного тела (проводника или диэлектрика). Такой электрический ток называется конвекционным током. Например, движение по орбите Земли, обладающей избыточным отрицательным зарядом, можно рассматривать как конвекционный ток.
За направление тока условно принимают направление движения положительных зарядов.
Для характеристики электрического тока через какую либо поверхность (например, в случае тока проводимости — через поперечное сечение проводника) вводится понятие силы тока.
Силой тока называется физическая величина I, равная отношению заряда dq, переносимого через рассматриваемую поверхность S за малый промежуток времени dt, к величине этого промежутка:
I=dq/dt (1)
Если сила тока и его направление не изменяются с течением времени, то ток называется постоянным. Сила постоянного тока
I=q/t, (2)
где q — заряд, переносимый через поверхность S за конечный промежуток t.
Для того чтобы ток проводимости был постоянным, заряды не должны накапливаться или убывать ни в одной части проводника. Поэтому цепь постоянного тока должна быть замкнутой, а суммарный электрический заряд, который поступает за 1 секунду. сквозь поверхность S1 в объем проводника, заключенный между двумя произвольно выбранными поперечными сечениями S1 и S2 (рис.1), должен быть равным суммарному заряду, выходящему из этого объема за то же время сквозь поверхность S2 Т.о., сила постоянного тока I во всех сечениях проводника одинакова.
Рис.1
Единица силы тока в СИ — ампер (А) — определяется на основании электромагнитного взаимодействия двух параллельных прямолинейных проводников, по которым протекает постоянный ток. Из (2) следует, что 1А — равен силе постоянного электрического тока, при котором через поперечное сечение проводника в 1секунду переносится заряд, равный 1К:
1А=1К/с.
Для характеристики направления электрического тока в различных точках рассматриваемой поверхности вводится вектор плотности электрического тока, который совпадает по направлению с движением положительно заряженных частиц — носителей заряда и численно равен отношению силы тока dI сквозь малый элемент поверхности, нормальный к направлению движения заряженных частиц, к площади dS^ этого элемента:
`J = dI/ dS^, (3)
В СИ плотность тока измеряется в (А/м2).
Очевидно,
что dI
= Jсоsa
dS
= Jn dS
, или dI
= J 
dS,
где `n — единичный вектор, перпендикулярный площадке dS, Jn – проекции J на направление нормали `n.
Сила тока через произвольную поверхность S равна
I = òJn dS = ò J dS,
где интегрирование проводится по всей площади этой поверхности. В дальнейшем S- это поперечное сечение проводника. Для постоянного тока
I = JS (4)
В цепи постоянного тока, состоящей из проводников с переменной площадью поперечного сечения, рис. 1, плотности тока в различных сечениях S1 и S2 обратно пропорциональны площадям этих сечений: J1: J2 = S2 : S1.
ЗАКОН ОМА
Рассмотрим отрезок однородного цилиндрического проводника длиной l
Рис.2.
Для того чтобы в этом проводнике шел постоянный электрический ток I, необходимо внутри проводника поддерживать постоянное электрическое поле Е. Т.к. E=dU/dI=- (U2— U1)/I=(U1-U2)/I= U/I, где U = U1— U2 — падение потенциала на участке 1-2, наз. напряжением, приложенным к проводнику.
При изменении U меняется и ток I. В 1826 г. Ом установил
I = GU = U/R, (5)
где G — электрическая проводимость, а R = 1/G — электрическое сопротивление проводника. Формула (5) выражает закон Ома в интегральной форме: ток, идущий в проводнике, численно равен отношению приложенного напряжения к сопротивлению проводника. Если U = 1В, I = 1А, то R = 1 Oм — сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1В идет электрический ток в 1А.
Сопротивление проводника зависит от геометрических размеров и формы, а также материала, из которого сделан.Где р – удельное сопротивление в-ва.
R = r1/S, (6)
Подставляя (6) в (5), преобразуем закон Ома
I = U/R = US/rl к виду I/S = U/l)/r.
Величина, обратная удельному сопротивлению, 1/r = g — называется удельной проводимостью или электропроводимостью данного вещества. Тогда j = g`E -закон Ома в дифференциальной форме.
Опыт показывает, что в первом приближении сопротивление металлических проводников линейно возрастает с температурой по закону R = R0(1+at), где a» 4× 10-3 град-1— температурный коэффициент. При Т®0 и R®0.
Для некоторых металлов и сплавов вблизи абсолютного нуля температуры наблюдается (при некоторой характерной для каждого из них температуре) скачкообразное падение сопротивления практически до нуля. Проводник при этом переходит в так называемое сверхпроводящее состояние. Если в замкнутом контуре из сверхпроводника создать электрический ток, то этот ток будет неделями течь в сверхпроводнике, практически не уменьшаясь по величине. Температуры перехода в сверхпроводящее состояние для различных металлов различны и лежат в интервале примерно от 2К до 10К. Несколько лет назад открыта сверхпроводимость при более высоких температурах (азотные температуры).
Зависимость R = R(Т) широко используется в технике для создания термометров сопротивлений.
Вернемся опять к электрическому току. Очевидно, что для поддержания постоянного тока в цепи на свободные заряды должны действовать помимо кулоновских сил еще какие — то иные, не электростатические силы. Эти силы носят название сторонних сил. Если кулоновские силы вызывают соединение разноименных зарядов, что ведет к выравниванию потенциалов и исчезновению электрического поля в проводнике, то сторонние силы вызывают разделение разноименных зарядов и поддерживают разность зарядов на концах проводника. Добавочное поле сторонних сил в цепи создается источниками электрической энергии (гальваническими элементами, аккумуляторами, электрическими генераторами). За счет поля сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника электрической энергии против сил электростатического поля. В следствие это го на концах внешней цепи поддерживается разность потенциалов и в цепи идет постоянный ток. Перемещая заряды, сторонние силы совершают работу за счет энергии, затрачиваемой в источнике электрической энергии. Так, например, в электромагнитном генераторе работа сторонних сил производится за счет механической энергии, расходуемой на вращение ротора генератора, а в гальванических элементах — за счет энергии, которая выделяется при хим. процессах растворения электродов в электролите.
Для любой точки внутри проводника напряженность Е результирующего поля равна
`Е = `Естор. + `Екул., (8)
studfiles.net
Содержание:
Проводники и диэлектрики, по-отдельности помещенные в электрическое поле, проявляют собственные индивидуальные качества. Именно проявление этих качеств сделало возможным применить их совместно. В результате, к электротехническим элементам добавились специальные устройства – конденсаторы. При проведении дальнейших исследований были установлены основные физические свойства этих устройств, в том числе и энергия электрического поля конденсатора, выделяемая в процессе его разрядки. Эта величина представляет собой потенциальную энергию, возникающую при взаимодействии обкладок конденсатора, поскольку, заряженные разноименно, они создают взаимное притяжение. Емкость – основное свойство конденсатораПрежде чем рассматривать энергию конденсатора, следует остановиться на его основном свойстве – емкости. Когда двум проводникам, изолированным один от другого, сообщаются заряды q1 и q2, между ними наблюдается появление определенной разности потенциалов Δφ. Данная разность полностью зависит от величины зарядов и геометрической конфигурации проводников. Эта величина, возникающая в электрическом поле между двумя точками, известна также, как напряжение, обозначаемое символом U.
Наибольшее практическое значение имеют заряды проводников с одинаковым модулем и противоположными знаками: q1 = – q2 = q. С их помощью выводится такое понятие, как электрическая емкость системы, состоящей из двух проводников. Данная категория представляет собой физическую величину, в которой заряд q какого-либо проводника, соотносится с разностью потенциалов Δφ. В виде формулы это будет выглядеть следующим образом: Системой СИ в качестве единицы электроемкости установлен фарад, который равен: 1Ф = 1Кл/1В Электроемкость может иметь разную величину, в зависимости от форм и размеров проводников, а также от свойств диэлектрика, разделяющего эти проводники. Изменение значения емкости позволяет определить, как изменится энергия электрического поля конденсатора при использовании некоторых конфигураций проводников возникает электрическое поле, сосредоточенное лишь на определенном участке. Подобные системы получили название конденсаторов, в которых функцию обкладок выполняют проводники. Конструкция простейшего конденсатора включает в себя две плоские проводящие пластины, расположенные параллельно между собой на расстоянии, меньшем, чем толщина самих пластин. Обе пластины разделяет слой диэлектрика. Такая система получила название плоского конденсатора. Его электрическое поле локализуется преимущественно между пластинами. Кроме того, слабое поле возникает около краев пластин, а также в окружающем их пространстве. Оно называется полем рассеяния, которое не оказывает существенного влияния на многие решаемые задачи. Поэтому в большинстве случаев учитывается только электрическое поле, сосредоточенное только между обкладками конденсатора. Модуль напряженности электрического поля, создаваемого заряженными пластинами плоского конденсатора, представляет собой соотношение: Е1 = Ϭ/2ε0. Соответственно, сумма напряженности каждой пластины, равна общей напряженности поля. Положительные и отрицательные векторы напряженности, расположены параллельно внутри конденсатора, поэтому напряженность суммарного поля будет равна: Е = 2Е1 = Ϭ/ε0. Вне пластин положительный и отрицательный векторы оказываются направленными в разные стороны, в связи с чем Е = 0.
Заряд пластин обладает поверхностной плотностью Ϭ, равной q/S. В данной формуле q является величиной заряда, а S – площадью пластин. Разность потенциалов (Δφ) однородного электрического поля будет равна Ed, где величина d является расстоянием между пластинами. После соединения всех этих соотношений, получается формула, определяющая электрическую емкость плоского конденсатора: Из этой формулы видно, что между электроемкостью плоского конденсатора и площадью обкладок существует прямая пропорция, и обратная пропорция с расстоянием между этими обкладками. Энергия электрического поляКак показывает практика, все заряженные конденсаторы обладают определенным запасом энергии. Данная величина является равной работе внешних сил, затрачиваемой для зарядки конденсатора. Непосредственная зарядка конденсатора происходит в виде последовательного переноса зарядов небольшими порциями с одной пластины на другую. В это время осуществляется постепенная зарядка одной обкладки положительным зарядом, а другой – отрицательным. Перенос каждой порции выполняется при наличии на обкладках некоторого заряда q. Между обкладками имеется определенная разность потенциалов. В связи с этим, в процессе переноса каждой порции заряда, внешними силами совершается работа: ΔА = UΔq = qΔq/C.
Существует максимальная энергия электрического поля конденсатора, формула которой отображается таким образом: We = A = Q2/2C, где We – энергия конденсатора, А – работа, C и Q – соответственно емкость и заряд конденсатора. Если использовать соотношение Q = CU, то формула энергии заряженного конденсатора может быть выражена в другой форме: We = Q2/2C = CU2 = QU/2 Электрическая энергия We по своим физическим качествам аналогична потенциальной энергии, накопленной в заряженном конденсаторе. Как уже отмечалось, локализация электрической энергии конденсатора осуществляется между его обкладками, то есть в электрическом поле. Поэтому она получила название энергия электрического поля конденсатора, формула которой выводится из нескольких понятий и определений. Если в качестве примера взять плоский заряженный конденсатор, то напряженность его однородного поля составит E = U/d, а его емкость будет равна С = ε0 εS/d. В результате, энергия электрического поля будет выражена в следующем виде: We = CU2/2 = ε0 εSЕ2d2/2d = (ε0 εЕ2/2) x V. В этой формуле V является пространственным объемом между обкладками, заполненным электрическим полем. Таким образом, We в качестве физической величины представляет собой электрическую или потенциальную энергию единицы пространственного объема, в котором существует электрическое поле. Эта величина также известна, как объемная плотность электроэнергии. |
electric-220.ru
Тема: Энергия электрического поля
Ляпин Али Ибрагимович, доцент БРУ
1. | Энергия уединенного заряженного проводника | Wпр = | 1 | Cϕ | 2 | = |
| Q2 | = |
| 1 | Q ϕ | ||||||||
2 |
| 2 | C | 2 | ||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| ||||||||||
|
|
| 1 |
|
|
| n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
и системы заряженных проводников | W = |
|
| ∑Qi | ϕi |
|
|
|
|
|
|
| ||||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
| ||||||||||||
|
|
|
|
|
| i=1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| ||
2. | Энергия заряженного конденсатора | Wк = |
| 1 | CU | 2 | = |
| Q2 |
| = | 1 |
| Q U | ||||||
2 |
| 2 | C | 2 |
| |||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| ||||||||||
3. | Энергия электростатического поля. Объемная | W | = w = | ε | 0 | ε E2 |
|
|
|
|
| |||||||||
плотность энергии. | V |
| 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
| ||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| ||
4. | Пондеромоторные силы. Применение закона |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сохранения энергии к расчету пондеромоторных |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
сил. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
2Ляпин Али Ибрагимович, доцент БРУ
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 ϕ. При перенесении заряда dQ из бесконечности на поверхность проводника необходимо совершить работу dA против сил поля
dA = ϕ dQ . (1)
Обе величины в правой части формулы (1) являются переменными. Используя связь между величинами С, ϕ и Q приведем праву часть к одной переменной. Для этого выразим dQ через ϕ и подставим в формулу (1)
Q = C ϕ dQ = C dϕ dA = C ϕ dϕ . (2)
Чтобы найти работу по зарядке проводника от нулевого потенциала до некоторого потенциала ϕ проинтегрируем выражение (2)
ϕ | 1 |
|
| |
A = ∫C ϕ dϕ = | Cϕ2 | .(3) | ||
2 | ||||
0 |
|
|
По определению эта работа равна изменению потенциальной энергии. Поэтому энергия уединенного проводника, заряженного до потенциала ϕ определяется формулой
Wпр = 12 Cϕ2 . (4)
Используя связь между величинами С, ϕ и Q формула (4) может быть представлена в нескольких видах
Wпр = | 1 | Cϕ | 2 | = | Q2 | = | 1 | Q ϕ . (5) |
2 |
| 2 C | 2 | |||||
|
|
|
|
|
|
Применяя принцип суперпозиции электрических полей можно получить следующую формулу для энергии системы из n неподвижных заряженных проводников
W= 1 ∑n Qi ϕi , (6) 2 i=1
где ϕi – потенциал суммарного поля в той точке, где находится проводник с зарядом Qi.
2. 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 ϕ1–ϕ2=U. Вывод формулы для энергии заряженного
3 | Ляпин Али Ибрагимович, доцент БРУ |
конденсатора аналогичен приведенному выше выводу формулы (4). Отличие состоит в замене потенциала ϕ на разность потенциалов U
A = U∫C U dU = | 1 | CU 2 | . (7) | |
2 | ||||
0 |
|
|
Таким образом, формула для энергии заряженного конденсатора имеет следующий
вид
Wк = | 1 | CU | 2 | = | Q2 | = | 1 | Q U . (8) |
2 |
| 2 C | 2 | |||||
|
|
|
|
|
|
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 | C = | ε0 ε S | , а напряжение U |
|
| d |
|
заменим выражением U = E d . Тогда для энергии заряженного конденсатора получим
W = | ε | 0 | ε E2 | S d . (9) |
| 2 | |||
|
|
|
|
Произведение S d 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)
| w = | ε0 ε E 2 | или | w = | 1 | E D . (10) | |
|
| 2 | 2 | ||||
|
|
|
|
|
| ||
Учитывая связь | электрического | смещения | D с | поляризованностью Р диэлектрика | |||
D = ε0 E + P , | можно получить | другую формулу для объемной плотности энергии | |||||
электрического поля |
|
|
|
|
|
| |
w = 12 ε0 E 2 + 12 E P . (11)
Вформуле (11) первое слагаемое выражает плотность энергии электрического поля в вакууме, а второе слагаемое выражает энергию, затрачиваемую на поляризацию единицы объема диэлектрика.
Вобщем случае неоднородного электрического поля его энергию в некотором объеме V можно вычислить по формуле
|
| 4 | Ляпин Али Ибрагимович, доцент БРУ |
W = | ε0 | V∫ε E2 dV . (12) | |
| 2 | 0 |
|
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
F2 = Q2 E1 , (14)
где Q2 – величина заряда на второй пластине, E1– напряженность поля первой пластины. Величина заряда Q2 второй пластины определяется формулой
Q2 =σ2 S , (15)
где σ2 – поверхностная плотность заряда на второй пластине, а напряженность Е1 поля, создаваемого первой пластиной вычисляется формулой
E1 = σ1 , (16)
2 ε ε
0
где σ1 – поверхностная плотность заряда на первой пластине. Подставим формулы (16) и (15) в формулу (14)
F2 = | σ1 σ2 | S или F2 = | σ 2 | S (17) т.к. σ1= σ2. | |
2 ε0 ε | 2 ε0 ε | ||||
|
|
|
Учитывая, что σ = D = ε0 ε E , получим формулу для силы, действующей на одну пластину со стороны другой
F = | ε |
| ε | E 2 |
| 0 |
| S . | |
2 |
|
| 2 |
|
|
|
|
|
Для силы, действующей на единицу площади пластины, формула будет иметь следующий вид
F = ε0 ε E2 . (18)
S 2
Теперь получим формулу для пондеромоторной силы, используя закон сохранения энергии. Если тело перемещается в электрическом поле, то пондеромоторными силами
5 | Ляпин Али Ибрагимович, доцент БРУ |
поля будет совершаться работа А. По закону сохранения энергии эта работа будет совершаться за счет энергии поля, то есть
A + W = 0 или A = W . (19)
Работа по изменению расстояния между пластинами заряженного конденсатора на величину dx определяется формулой
A = F dx , (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 W
W = | ε | 0 | ε E2 | S dx (21). |
| 2 | |||
|
|
|
|
Приравняв формулы (20) и (21), получим формулу для силы, действующей на единицу площади пластины
F | = | ε | 0 | ε E2 | (22). |
S |
| 2 | |||
|
|
|
|
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?
studfiles.net
5.Энергия электрического поля
Если обкладки заряженного конденсатора замкнуть металлической проволокой, то в ней возникает электрический ток, а конденсатор разрядится. Электрический ток разряда конденсатора выделяет в проволоке определённое количество тепла, а это значит, что заряженный конденсатор обладает энергией.
Вычислим энергию заряженного конденсатора С. Для этого обозначим через U мгновенное значение напряжения на обкладках конденсатора в процессе разряда. Если малое количество заряда dq проходит в процессе разряда с одной обкладки на другую, то работа электрических сил dА будЕТ dА =U dq.
Выражая в этой формуле заряд обкладок q через напряжение Q = CU, получим dA = CU dU.
Полную работу, совершаемую электрическими силами за все время разряда, равную энергии конденсатора W, мы получим, интегрируя это выражение между значениями напряжения U (начало разряда) и 0 (конец разряда). Это дает:
A=
— W
= C
=
— CU2/2.
(1)
Можно (1) переписать:
W = CU2/2 = q2/2C = qU/2. (2)
А где именно, т.е. в каком месте в конденсаторе локализована эта энергия? — На обкладках конденсатора, т.е. на электрических зарядах, или в его электрическом поле, т.е. в пространстве между обкладками. В дальнейшем мы сможем ответить на этот вопрос, что энергия сосредоточена в электрическом поле. Дальнейшее развитие теории и эксперимента показало, что переменные во времени электрические и магнитные поля могут существовать обособленно, независимо от возбудивших их зарядов, и распространяются в пространстве в виде электромагнитных волн, способных переносить энергию.
Учитывая это, мы можем преобразовать (2) т.о., чтобы в него входила характеристика поля — его напряженность.
Рассмотрим вначале однородное поле и применим формулу (1) к плоскому конденсатору. Мы получим
W = ee0SU2/2d = ee0(U/d)2Sd/2, но
U/d=E, a Sd — объём, занимаемый полем.
Мы видим, что энергия однородного электрического поля пропорциональна объёму, занимаемому полем. Поэтому целесообразно говорить об энергии каждой единицы объёма, или об объёмной плотности энергии электрического поля. Она равна
W1 = ee0E2/2 = ED/2, т.к. V = Sd = 1.
Последнее выражение справедливо только для изотропного диэлектрика.
Если электрическое поле неоднородно, то его можно разбить на элементарные объемы dV и считать, что в пределах бесконечно малого объема это поле однородно. Поэтому энергия, заключенная в объеме поля dV, будет W1dV, а полная энергия любого электрического поля может быть представлена в виде
W
= (e0/2)
dV,
Причем интегрирование проводится по всему объему V, где имеется электрическое поле.
6.Постоянный электрический ток
Электрическим током называется направленное движение электрических зарядов. Ток, возникающий в проводнике вследствие того, что в нем создастся электрическое поле, называется током проводимости. При движении зарядов нарушается их равновесное распределение: поверхность проводника уже не является эквипотенциальной и электрические силовые линии не направлены ^ ей, т.к. для движения зарядов необходимо, чтобы на поверхности проводника тангенциальная составляющая напряженности электрического поля не равнялась нулю (Et¹ 0). Но тогда и внутри проводника должно существовать электрическое поле, ибо, как известно из электростатики, внутри проводника нет поля лишь в случае равновесного распределения зарядов по поверхности этого проводника. Перемещение зарядов — электрический ток — продолжается до тех пор, пока все точки проводника не станут эквипотенциальными.
Т.о., для появления и существования электрического тока проводимости необходимы два условия.
Первое- наличие в данной среде носителей заряда, т.е. заряженных частиц, которые могли бы в ней перемещаться. Такими частицами, как мы убедимся далее, в металлах являются электроны проводимости, в жидких проводниках (электролитах) — положительные и отрицательные ионы; в газах — положительные ионы и электроны, а также иногда и отрицательные ионы.
Второе — наличие в данной среде электрического поля, энергия которого затрачивалась бы на перемещение электрических зарядов. Для того чтобы ток был длительным, энергия поля должна все время пополняться, иными словами, нужен источник электрической энергии -устройство, в котором осуществляется преобразование какого-либо вида энергии в энергию электрического поля. В зависимости от свойств этих источников в электротехнике различают источники напряжения и источники тока. Поэтому во избежание неточностей мы будем в дальнейшем пользоваться только термином «источник электрической энергии».
Упорядоченное движение зарядов можно осуществить и другим способом — перемещением в пространстве заряженного тела (проводника или диэлектрика). Такой электрический ток называется конвекционным током. Например, движение по орбите Земли, обладающей избыточным отрицательным зарядом, можно рассматривать как конвекционный ток.
За направление тока условно принимают направление движения положительных зарядов.
Для характеристики электрического тока через какую либо поверхность (например, в случае тока проводимости — через поперечное сечение проводника) вводится понятие силы тока.
Силой тока называется физическая величина I, равная отношению заряда dq, переносимого через рассматриваемую поверхность S за малый промежуток времени dt, к величине этого промежутка:
I=dq/dt (1)
Если сила тока и его направление не изменяются с течением времени, то ток называется постоянным. Сила постоянного тока
I=q/t, (2)
где q — заряд, переносимый через поверхность S за конечный промежуток t.
Для того чтобы ток проводимости был постоянным, заряды не должны накапливаться или убывать ни в одной части проводника. Поэтому цепь постоянного тока должна быть замкнутой, а суммарный электрический заряд, который поступает за 1 секунду. сквозь поверхность S1 в объем проводника, заключенный между двумя произвольно выбранными поперечными сечениями S1 и S2 (рис.1), должен быть равным суммарному заряду, выходящему из этого объема за то же время сквозь поверхность S2 Т.о., сила постоянного тока I во всех сечениях проводника одинакова.
Рис.1
Единица силы тока в СИ — ампер (А) — определяется на основании электромагнитного взаимодействия двух параллельных прямолинейных проводников, по которым протекает постоянный ток. Из (2) следует, что 1А — равен силе постоянного электрического тока, при котором через поперечное сечение проводника в 1секунду переносится заряд, равный 1К:
1А=1К/с.
Для характеристики направления электрического тока в различных точках рассматриваемой поверхности вводится вектор плотности электрического тока, который совпадает по направлению с движением положительно заряженных частиц — носителей заряда и численно равен отношению силы тока dI сквозь малый элемент поверхности, нормальный к направлению движения заряженных частиц, к площади dS^ этого элемента:
`J = dI/ dS^, (3)
В СИ плотность тока измеряется в (А/м2).
Очевидно,
что dI
= Jсоsa
dS
= Jn dS
, или dI
= J 
dS,
где `n — единичный вектор, перпендикулярный площадке dS, Jn – проекции J на направление нормали `n.
Сила тока через произвольную поверхность S равна
I = òJn dS = ò J dS,
где интегрирование проводится по всей площади этой поверхности. В дальнейшем S- это поперечное сечение проводника. Для постоянного тока
I = JS (4)
В цепи постоянного тока, состоящей из проводников с переменной площадью поперечного сечения, рис. 1, плотности тока в различных сечениях S1 и S2 обратно пропорциональны площадям этих сечений: J1: J2 = S2 : S1.
ЗАКОН ОМА
Рассмотрим отрезок однородного цилиндрического проводника длиной l
Рис.2.
Для того чтобы в этом проводнике шел постоянный электрический ток I, необходимо внутри проводника поддерживать постоянное электрическое поле Е. Т.к. E=dU/dI=- (U2— U1)/I=(U1-U2)/I= U/I, где U = U1— U2 — падение потенциала на участке 1-2, наз. напряжением, приложенным к проводнику.
При изменении U меняется и ток I. В 1826 г. Ом установил
I = GU = U/R, (5)
где G — электрическая проводимость, а R = 1/G — электрическое сопротивление проводника. Формула (5) выражает закон Ома в интегральной форме: ток, идущий в проводнике, численно равен отношению приложенного напряжения к сопротивлению проводника. Если U = 1В, I = 1А, то R = 1 Oм — сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1В идет электрический ток в 1А.
Сопротивление проводника зависит от геометрических размеров и формы, а также материала, из которого сделан.Где р – удельное сопротивление в-ва.
R = r1/S, (6)
Подставляя (6) в (5), преобразуем закон Ома
I = U/R = US/rl к виду I/S = U/l)/r.
Величина, обратная удельному сопротивлению, 1/r = g — называется удельной проводимостью или электропроводимостью данного вещества. Тогда j = g`E -закон Ома в дифференциальной форме.
Опыт показывает, что в первом приближении сопротивление металлических проводников линейно возрастает с температурой по закону R = R0(1+at), где a» 4× 10-3 град-1— температурный коэффициент. При Т®0 и R®0.
Для некоторых металлов и сплавов вблизи абсолютного нуля температуры наблюдается (при некоторой характерной для каждого из них температуре) скачкообразное падение сопротивления практически до нуля. Проводник при этом переходит в так называемое сверхпроводящее состояние. Если в замкнутом контуре из сверхпроводника создать электрический ток, то этот ток будет неделями течь в сверхпроводнике, практически не уменьшаясь по величине. Температуры перехода в сверхпроводящее состояние для различных металлов различны и лежат в интервале примерно от 2К до 10К. Несколько лет назад открыта сверхпроводимость при более высоких температурах (азотные температуры).
Зависимость R = R(Т) широко используется в технике для создания термометров сопротивлений.
Вернемся опять к электрическому току. Очевидно, что для поддержания постоянного тока в цепи на свободные заряды должны действовать помимо кулоновских сил еще какие — то иные, не электростатические силы. Эти силы носят название сторонних сил. Если кулоновские силы вызывают соединение разноименных зарядов, что ведет к выравниванию потенциалов и исчезновению электрического поля в проводнике, то сторонние силы вызывают разделение разноименных зарядов и поддерживают разность зарядов на концах проводника. Добавочное поле сторонних сил в цепи создается источниками электрической энергии (гальваническими элементами, аккумуляторами, электрическими генераторами). За счет поля сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника электрической энергии против сил электростатического поля. В следствие это го на концах внешней цепи поддерживается разность потенциалов и в цепи идет постоянный ток. Перемещая заряды, сторонние силы совершают работу за счет энергии, затрачиваемой в источнике электрической энергии. Так, например, в электромагнитном генераторе работа сторонних сил производится за счет механической энергии, расходуемой на вращение ротора генератора, а в гальванических элементах — за счет энергии, которая выделяется при хим. процессах растворения электродов в электролите.
Для любой точки внутри проводника напряженность Е результирующего поля равна
`Е = `Естор. + `Екул., (8)
studfiles.net
11. Энергия электрического поля. Объемная плотность энергии
внешние силы должны совершить работу
против сил электрическогополя
:
.
Поскольку проводник уединенный (точка1 бесконечно далека от проводника), то 
.
Потенциал точки2 равен потенциалу проводника .
Поэтому
.
Если проводнику передан зарядq,
то его потенциал 
.
Полная работа внешних сил по зарядке
проводника до значения зарядаQ будет равна.
Согласно закону сохранения энергии, работа внешних сил по зарядке проводника увеличивает энергию создаваемого электростатического поля, т.е. проводник запасает определенную энергию:
. (3.13)
Рассмотрим процесс зарядки конденсатора от источника ЭДС. Источник в процессе зарядки переносит заряды с одной пластины на другую, причем сторонние силы источника совершают работу по увеличению энергии конденсатора:
,
где Q – заряд конденсатора после зарядки. Тогда энергия электрического поля, созданного конденсатором, определится как
. (3.14)
Выражение (3.14) позволяет записать величину энергии электростатического поля двумя способами:
и
.
Сопоставление двух соотношений позволяет задать вопрос: что является носителем электрической энергии? Заряды (первая формула) или поле (вторая формула)? Оба записанных равенства прекрасно согласуются с результатами экспериментов, т.е. расчет энергии поля можно одинаково правильно вести по обеим формулам. Однако такое наблюдается только в электростатике, т.е. когда осуществляется расчет энергии поля неподвижных зарядов. При рассмотрении теории электромагнитного поля в дальнейшем (гл. 8) мы увидим, что электрическое поле может создаваться не только неподвижными зарядами. Электростатическое поле – это частный случай электромагнитного поля, существующего в пространстве в виде электромагнитной волны. Его энергия распределена в пространстве с определенной плотностью. Введем понятие объемной плотности энергии поля следующим образом.
Преобразуем последнее равенство (3.14) для случая плоского конденсатора, воспользовавшись связью разности потенциалов и напряженности однородного поля:
,
где 
– объем конденсатора, т.е. объем части
пространства, в котором создано
электрическое поле.
Объемной плотностью энергии поля называется отношение энергии поля, заключенного в малом объеме пространства к этому объему:
. (3.15)
Следовательно, энергию однородного электрического поля можно рассчитать так: .
Сделанный вывод можно распространить на случай неоднородного поля таким образом:
,
(3.16)
где
– такой элементарный объем пространства,
в пределах которого поле можно считать
однородным.
Для
примера рассчитаем энергию электрического
поля, созданного уединенным металлическим
шаром радиусом R,
заряженным зарядом Q,
и находящимся в среде с относительной
диэлектрической проницаемостью .
Повторив рассуждения примера из п.2.5,
получим модуль напряженности поля в
виде функции 
:
Тогда выражение для объемной плотности энергии поля примет вид:
(рис.
3.15). Объем этого слоя.
Тогда энергия поля определится так:.
Аналогичный результат мы бы получили, если бы вычисляли энергию заряженного шара по формуле (3.13), воспользовавшись (3.6):
.
Однако следует помнить, что такой способ неприменим, если необходимо найти энергию электрического поля, заключенную не во всем объеме поля, а лишь в его части. Также метод расчета по формуле (3.13) нельзя использовать при определении энергии поля системы, для которой неприменимо понятие “емкость”.
studfiles.net
Энергия электрического поля
Опыт показывает, что заряженный конденсатор содержит запас энергии.
Энергия заряженного конденсатора равна работе внешних сил, которую необходимо затратить, чтобы зарядить конденсатор.
Процесс зарядки конденсатора можно представить как последовательный перенос достаточно малых порций заряда Δq > 0 с одной обкладки на другую (рис. 1.7.1). При этом одна обкладка постепенно заряжается положительным зарядом, а другая – отрицательным. Поскольку каждая порция переносится в условиях, когда на обкладках уже имеется некоторый заряд q, а между ними существует некоторая разность потенциалов
при переносе каждой порции Δq внешние силы должны совершить работу
Энергия Wе конденсатора емкости C, заряженного зарядом Q, может быть найдена путем интегрирования этого выражения в пределах от 0 до Q:
| Рисунок 1.7.1. Процесс зарядки конденсатора |
Формулу, выражающую энергию заряженного конденсатора, можно переписать в другой эквивалентной форме, если воспользоваться соотношением Q = CU.
Электрическую энергию Wе следует рассматривать как потенциальную энергию, запасенную в заряженном конденсаторе. Формулы для Wе аналогичны формулам для потенциальной энергии Eр деформированной пружины (см. ч. I, § 2.4)
где k – жесткость пружины, x – деформация, F = kx – внешняя сила.
По современным представлениям, электрическая энергия конденсатора локализована в пространстве между обкладками конденсатора, то есть в электрическом поле. Поэтому ее называют энергией электрического поля. Это легко проиллюстрировать на примере заряженного плоского конденсатора.
Напряженность однородного поля в плоском конденсаторе равна
E = U/d, а его емкость
Поэтому
где V = Sd – объем пространства между обкладками, занятый электрическим полем. Из этого соотношения следует, что физическая величина
является электрической (потенциальной) энергией единицы объема пространства, в котором создано электрическое поле. Ее называют объемной плотностью электрической энергии.
Энергия поля, созданного любым распределением электрических зарядов в пространстве, может быть найдена путем интегрирования объемной плотности wе по всему объему, в котором создано электрическое поле.
questions-physics.ru
