1. 19. Энергия заряженного уединенного проводника, конденсатора. Энергия электростатического поля

Энергия заряженного проводника численно равна работе, которую должны со­вершить внешние силы для его зарядки W=A. При перенесении заряда dq из бесконечности на проводник совершается ра­бота dA против сил электростатического поля (по преодолению кулоновских сил отталки­вания между одноименными зарядами) : dA=dq=Cd.

Чтобы зарядить тело от нулевого потенциала до потенциала , потребуется ра­бота .Энергия заряженного проводника равна той работе, которую надо совершить, чтобы зарядить его: .

Выражение принято называтьсобственной энергией заряженного про­водника.

Увеличение потенциала  проводника при его зарядке сопровождается усиле­нием электростатического поля, возрастает напряженность поля . Естественно предположить, что собственная энергия заряженного проводника есть энергия его электростатического поля. Проверим это предположение на примере однородного поля плоского конденсатора. Повторяя ход вышеприведенного расчета, нетрудно получить энергию заряженного плоского конденсатора,

где  - разность потенциалов его обкладок. Подставим в эту формулу выражения для емкости плоского конденсатора и разности потенциалов между обкладками. Тогда для энергии получим, гдеV=Sd - объем электростатического поля между обкладками конденсатора.

Отсюда следует, что собственная энергия заряженного плоского конденсатора пропорциональна V объему его поля и на­пря­женности . Следовательно, необходимо считать, что электростатическое поле обладает энергией.Объемная плотность энергии электрического поля или энергия единицы объема равна ,. Где же локализована энергия электростатического поля и что является ее но­си­телем - заряды или само поле? Ответ на этот вопрос может дать только опыт. Од­нако электростатика не может ответить на данный вопрос, потому что она изучает посто­янные во времени поля неподвижных зарядов, т.е. в электростатике поля и за­ряды неотделимы друг от друга.

Опыты показали, что переменные во времени электрические поля могут суще­ствовать обособленно, независимо от возбудивших их зарядов. Они распространя­ют­ся в пространстве в виде волн, способных переносить энергию. Отсюда следует, что энергия локализована в поле и носителем электрической энергии является поле.

2. Постоянный электрический ток

2.1. Электрический ток, сила и плотность тока

Электрическим током называется направленное перемещение электриче­ских зарядов. Различают :

а) ток проводимости - это упорядоченное перемещение микроскопических за­рядов внутри неподвижного макроскопического тела (твердого, жидкого или газо­об­разного). Такими зарядами в металлах являются свободные электроны, в жидких про­водниках (электролитах) - положительные и отрицательные ионы, а также электроны;

б) ток в вакууме - это направленное движение заряженных частиц (электронов или ионов) в вакууме независимо от макроскопических тел;

в) конвекционный ток - это направленное перемещение заряженного макрос­ко­пического тела.

Таким образом, для существования электрического тока необходимо наличие заряженных частиц, называемых носителями тока, и движущей силы. В первых двух случаях движущей силой является электрическое поле, энергия которого за­трачива­ется на перемещение зарядов. Устройство, создающее электрическое поле для направленного движения зарядов и пополняющее его энергию, на­зывается источником электродвижущей силы (э.д.с.) или источником тока.

Величина I, определяемая количеством заряда, проходящего через поперечное сечение проводника в единицу времени, называется силой тока .Если за любые равные промежутки времени через поперечное сечение прохо­дит одинаковый заряд, ток называется постоянным и определяется как . Сила токаI - скалярная физическая величина. Электрический ток может быть обуслов­лен движением как положительных, так и отрицательных носителей. За направле­ние элек­трического тока условились принимать направление движения положи­тельных заря­дов. Если в действительности движутся отрицательные заряды (напри­мер, электроны проводимости в проводнике), то направление электрического тока считается проти­воположным направлению их движения.

Единица силы тока - ампер (А). Это сила постоянного тока, при которой через любое поперечное сечение проводника за одну секунду проходит заряд в один ку­лон, .

Для характеристики распределения электрического тока по сечению провод­ни­ка вводится вектор плотности тока . Вектор плотности тока численно равен за­ряду, переносимому в единицу времени через единичную площадку, расположен­ную нормально к направлению движения зарядов .Если ток постоянный, . Вектор плотности тока направлен вдоль скорости движения положительных зарядов.

Пусть - средняя скорость упорядоченного движения носителей зарядов в проводнике,n₀ - их концентрация, е - заряд носителя тока. Тогда за время dt через поперечное сечение S проводника переносится заряд . Сила тока, плотность тока.В векторном виде получаем .Единицей измерения плотности тока в системе СИ является А/м².

Воздействие постоянного электрического тока на вещество лежит в основе многих электрофизических методов - электродиализа, электрофореза, электрофло­та­ции и др.

Электродиализ - это быстрый и эффективный метод диализа: метод отделения веществ, находящихся в коллоидном состоянии, от истинно растворенных веществ с помощью пористой мембраны. Электродиализ широко применяется при очистке са­хара, различных медицинских коллоидных препаратов, при приготовлении клея и же­латина, для очистки сточных вод. Методом электродиализа осуществляется дуб­ление кожи.

Электрофлотация позволяет разделить жидкие неоднородные системы. Сущ­ность метода заключается в разложении постоянным электрическим током воды на водород и кислород в виде очень мелких пузырьков, которые осаждаются на по­верх­ности твердой фазы (т.е. различных частиц) и увлекают ее вверх. Применение этого метода дает высокий производственный эффект при очистке фруктовых со­ков, вина и других продуктов. При электрофлотации сточных вод на мясокомбинате удается из­влечь и удалить из них 90-95% жира.