Силы в электрических полях.

Пондеромоторные силы.

В электрических полях на диэлектрики и проводники действуют силы, которые называют пондеромоторными, т.е. (в переводе) силами, действующими на весомые тела. Термин пондеромоторные силы безусловно устарел, поскольку был введен в то время, когда в физике признавалось существование невесомых субстанций (например, теплород, эфир, электрические и магнитные жидкости). Теперь известно, что невесомых субстанций не существует, но этот термин по-прежнему используется. Механические явления, такие как растягивание заряженной поверхности, механические напряжения в диэлектрических слоях, втягивание диэлектрика в конденсатор, взаимодействие проводников с током, механическое действие оптического излучения на тела, объясняются пондеромоторными силами. Природа этих сил вполне определена – они возникают при воздействии электромагнитного поля на электрические заряды.

Рассмотрим возникновение и действие пондеромоторных сил применительно к электростатике.

Поскольку электростатическое поле потенциально, то для любой системы электрических зарядов можно записать

Можно также ввести объемную плотность сил, которая равна

Силы, действующие в поляризованном диэлектрике.

Силы, действующие на электрические диполи в веществе, деформирующие и ориентирующие их в пространстве, относятся к пондеромоторным силам.

Объемная плотность сил в диэлектрике:

.

Для однородного диэлектрика справедливо соотношение

Если диэлектрическая проницаемость не постоянна , и мы имеем дело с сжимаемыми диэлектриками, то определение пондеромоторных сил довольно сложно. Общий метод вычисления пондеромоторных сил дает термодинамика - термодинамика диэлектриков.

Силы, действующие на поверхностные заряды.

Ранее мы уже затрагивали этот вопрос. Если имеется замкнутая проводящая поверхность, заряженная с поверхностной плотностью , то электрическое поле известно по обе стороны, причем , а на самой поверхности электрическое поле не определено. В результате взаимодействия поверхностных зарядов поверхность проводника растягивается.

1. поле с внешней стороны выделенного элемента поверхности равно

2. поле внутри .

Пондеромоторная сила, действующая на единицу поверхности (поверхностная плотность пондеромоторных сил):

Определение пондеромоторных сил через энергию электрического поля.

Один из общих способов определения сил через производную от энергии системы:

.

Пример: силы, действующие на пластины плоского конденсатора. Энергия его электрического поля:

Здесь градиент энергии следует понимать как её изменение на длине расстоянии между обкладками конденсатора.

18