Физика 3 семестр / новая папка / Помощь к экзамену / Темы / 26.Энергия магнитного поля
.doc6.6. Энергия магнитного поля. Объемная плотность энергии
Продолжим рассмотрение размыкания цепи с точки зрения закона сохранения энергии. Поскольку после отключения источника (рис.6.15) ток в цепи не прекращается, то можно говорить, что работа по переносу зарядов в цепи совершается за счет самоиндукции. Величина работы определяется ЭДС самоиндукции. При переносе по цепи заряда dq работу можно найти так:
. (6.16)
Поскольку сила тока в цепи уменьшается, то ослабевает создаваемое током магнитное поле. С точки зрения закона сохранения энергии это означает, что работа по переносу зарядов при самоиндукции осуществляется за счет уменьшения энергии магнитного поля: . Последнее уравнение можно проинтегрировать, получив
.
Поскольку по окончании процесса сила тока в цепи равна нулю, то . Подставим в это соотношение выражение (6.16):
. (6.17)
Можно рассмотреть и обратный процесс, осуществляемый при включении источника в цепь. При нарастании силы тока через катушку от 0 до I увеличивается и магнитный поток через катушку, поэтому возникает явление самоиндукции. Поскольку оно препятствует нарастанию тока в цепи, то источник тока будет совершать работу против сил индуцированного поля. Тогда работа источника тока переходит в энергию создаваемого магнитного поля:
.
После интегрирования этого выражения получим
. (6.18)
Таким образом, как бы мы ни анализировали процесс, но результат его рассмотрения один и тот же: если в системе, обладающей индуктивностью L, существует ток I, то система создает магнитное поле с энергией
. (6.19)
Рассмотрим бесконечный соленоид, индуктивность которого выражается согласно (6.11). Если пропустить по соленоиду ток I, то внутри себя он создаст однородное магнитное поле, энергию которого можно определить по (6.19):
.
Преобразуем это выражение, учитывая, что – объем соленоида, т.е. объем той части пространства, в которой существует магнитное поле:
,
где индукция магнитного поля соленоида В определена в соответствии с (5.27). Введем понятие объемной плотности энергии магнитного поля так же, как мы вводили это понятие для электрического поля (3.15). Объемной плотностью энергии магнитного поля называется отношение энергии поля, заключенного в малом объеме пространства к этому объему:
. (6.20)
Следовательно, энергию однородного магнитного поля можно рассчитать так: .
Сделанный вывод можно распространить на случай неоднородного поля таким образом:
, (6.21)
где – объем такой части пространства, чтобы в ее пределах поле можно было считать однородным.