Физика 3 семестр / новая папка / Помощь к экзамену / Темы / 11.Энергия электрического поля
.doc3.3. Энергия электрического поля.
Объемная плотность энергии
.
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:
Поскольку напряженность поля зависит только от радиальной координаты, то она будет практически постоянна в пределах тонкого сферического слоя с внутренним радиусом r и толщиной (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”.