Энергия электрического поля

Основная статья: Электромагнитная энергия

Электрическое поле обладает энергией. Плотность этой энергии определяется величиной поля и может быть найдена по формуле

где E — напряжённость электрического поля, D — индукция электрического поля.

Однородное поле

Направление линий напряжённости между двумя разнозаряженными пластинами

Однородное поле — это электрическое поле, в котором напряжённость одинакова по модулю и направлению во всех точках пространства. Приблизительно однородным является поле между двумя разноимённо заряженными плоскими металлическими пластинами. В однородном электрическом поле линии напряжённости направлены параллельно друг другу.

N33

При перемещении тела между двумя точ­ками в гравитационном поле работа силы тяжести не зависит от формы траектории его движения. Силы гравитационного и электрического взаи­модействия имеют одинаковую зави­симость от расстояния, векторы гра­витационных и кулоновских сил при взаимодействии точечных тел направлены по прямой, соединяющей взаимодействующие тела. Поэтому можно предположить, что при перемещении заряда в электростатическом поле из одной точки в другую работа сил электрического поля не зависит от формы траектории. Это предположение следует из закона сохранения энергии. Пусть пробный заряд q перемещается в электрическом поле из точки M в точку N по траектории MBN . При этом поле совершает работу А1. Вернем теперь пробный заряд в начальную точку М по траектории NCM. При этом внешние силы совершат работу А2 1, а работа поля будет равна А2 = -А2 1. Суммарная работа Асум = А1 + А2. После того как заряд вернется в начальную точку, в системе заряд – электрическое поле никаких изменений не произошло, следовательно, энергетическое состояние системы не изменилось. А это означает, что поле не совершило никакой работы, т. е. Асум = 0. Таким образом, работа электро­статических (кулоновских) сил по любой замкнутой траектории равна нулю. Иными словами, работа по перемещению электрического заряда между двумя точками электрическо­го поля не зависит от формы траек­тории Работа и потенциальная энергия. Если работа не зависит от формы траектории, иными словами, если по­ле сил консервативное, то работу можно представить как разность по­тенциальных энергий в начале и кон­це траектории: A = Wp1 - Wp2 (2) (Мы будем в электростатике энергию обозначать буквой W, а не Е, по­скольку буквой Е мы обозначаем на­пряженность поля.)  Как и в общем случае, потен­циальная энергия взаимодействия зарядов определяется с точностью до произвольного постоянного слагаемого, значение которого можно задать так, чтобы упростить решение задачи. Напомним, что точно так же обстоит дело с потенциальной энер­гией гравитационного взаимодей­ствия.

N34

1.5. Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его. Это связано с тем, что вещество состоит из заряженных частиц. В отсутствие внешнего поля частицы распределяются внутри вещества так, что создаваемое ими электрическое поле в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. При наличии внешнего поля происходит перераспределение заряженных частиц, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле   складывается в соответствии с принципом суперпозиции из внешнего поля   и внутреннего поля   создаваемого заряженными частицами вещества.

Вещество многообразно по своим электрическим свойствам. Наиболее широкие классы вещества составляют проводники и диэлектрики.

Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов (электронов), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника. Типичные проводники – металлы.

В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды (рис. 1.5.1). Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами.

Индукционные заряды создают свое собственное поле   которое компенсирует внешнее поле   во всем объеме проводника:   (внутри проводника).

Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника.

Рисунок 1.5.1. Электростатическая индукция

Все внутренние области проводника, внесенного в электрическое поле, остаются электронейтральными. Если удалить некоторый объем, выделенный внутри проводника, и образовать пустую полость, то электрическое поле внутри полости будет равно нулю. На этом основанаэлектростатическая защита – чувствительные к электрическому полю приборы для исключения влияния поля помещают в металлические ящики (

Физическая величина, равная отношению модуля напряженности   внешнего электрического поля в вакууме к модулю напряженности   полного поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества. 

Существует несколько механизмов поляризации диэлектриков. Основными из них являются ориентационная и электронная поляризации. Эти механизмы проявляются главным образом при поляризации газообразных и жидких диэлектриков.

N35