1. Ёмкость плоского конденсатора

Сообщим обкладкам плоского конденсатора заряды +Q и –Q. Плотность заряда на обкладках станет равной , а напряжённость однородного электрического поля, возникшего в конденсаторе (см. 2.17):

.

Воспользовавшись связью напряжённости и потенциала в электрическом поле, вычислим разность потенциалов на обкладках конденсатора:

;

. . (4.6)

Это соотношение и позволяет определить ёмкость плоского конденсатора

(4.7)

Ёмкость этого конденсатора прямо пропорциональна площади его обкладок (S) и обратно пропорциональна расстоянию (d) между ними.

Напомним, что разность потенциалов между обкладками была вычислена в предположении, что поле между ними однородное. Это означает, что результат (4.7) в известном смысле идеализация. Мы вычислили ёмкость плоского конденсатора, пренебрегая краевыми искажениями поля.

2. Ёмкость сферического конденсатора

Обкладками такого конденсатора являются две концентрические сферы радиусами R₁ и R₂ (рис. 4.10, b).

На прошлой лекции была вычислена разность потенциалов между обкладками сферического конденсатора. Она оказалась пропорциональна заряду конденсатора (см. 3.27).

Ёмкость, равная по определению отношению заряда к разности потенциалов, для сферического конденсатора, составит следующую величину

(4.8)

Этот результат свидетельствует о том, что ёмкость сферического конденсатора зависит от размеров сфер (R₁ и R₂) и от величины зазора d (d = R₁ – R₂) между ними.

Интересно, что при достаточно малом зазоре d, когда R₁  R₂ = R, можно записать ёмкость сферического конденсатора так:

Но 4R² = S — площадь поверхности сферы. Поэтому

и ёмкость сферического конденсатора оказывается равной ёмкости «эквивалентного» плоского конденсатора.

3. Ёмкость цилиндрического конденсатора

Сообщим обкладкам цилиндрического конденсатора заряды (+q) и (–q) (рис. 4.11.). Вычислим напряжённость поля между обкладками. Для этого выберем гауссову замкнутую поверхность в виде цилиндра радиусом R₁ < r < R₂ и высотой l. Пренебрегая краевыми эффектами (!), запишем уравнение теоремы Гаусса

Рис. 4.11.

Из последнего равенства заключаем, что

(4.9)

Теперь, воспользовавшись связью напряжённости и потенциала электрического поля , вычислим разность потенциалов между обкладками цилиндрического конденсатора

Как и в случае других конденсаторов, разность потенциалов на обкладках цилиндрического конденсатора оказалась пропорциональной заряду q. Поэтому ёмкость конкретного цилиндрического конденсатора оказывается величиной постоянной, зависящей только от размеров этого конденсатора

(4.10)

3. Энергия электрического поля. Плотность энергии.

Будем заряжать плоский конденсатор, перенося малые порции заряда dq с одной обкладки на другую (рис. 4.12.) Для того чтобы перенести заряд dq между обкладками с разностью потенциалов (₁ – ₂) необходимо совершить работу

dA = (₁ – ₂) dq (4.11)

Рис. 4.12.

Учитывая, что , эту работу можно записать ещё и так

Для того чтобы первоначально незаряженному конденсатору сообщить заряд Q, необходимо совершить работу

Эта работа равна энергии заряженного конденсатора

(4.12)

Здесь — напряжение на конденсаторе, равное разности потенциалов на его обкладках.

Продолжим преобразования уравнения (4.12).

Вспомним, что ёмкость плоского конденсатора

,

а напряжение связано с напряжённостью электрического поля

U = E ∙ d

Воспользовавшись этими соотношениями, запишем энергию заряженного конденсатора в таком виде

(4.13)

Эти два выражения энергии конденсатора

приводят к следующему принципиальному вопросу: где в конденсаторе располагается энергия? Где она «локализована»?

Если она связана с электрическими зарядами, то она находиться на обкладках конденсатора. Если же это энергия электрического поля, то она занимает пространство между обкладками, объем которого равен объему конденсатора V = S ∙ d.

Для ответа на этот вопрос нужно было бы заряд с обкладок убрать, а поле при этом оставить. Тогда можно было бы посмотреть: осталась энергия — значит, она связана с полем, исчезла — значит, она располагалась вместе с зарядом на обкладках.

Но проблема-то в том, что при удалении зарядов исчезает, конечно, и их электростатическое поле. Поэтому вопрос о локализации энергии в рамках электростатики не может быть решён.

В электродинамике переменные электрические и магнитные поля, как известно, могут существовать и без электрических зарядов. Причем такие поля обладают энергией, что является прямым экспериментальным доказательством того, что эта энергия связана с электрическими полями и локализована в объёме, занятом полем. Теперь становиться понятнее последнее выражение энергии заряженного конденсатора:

Энергия конденсатора связана с его электрическим полем и поэтому пропорциональна объёму конденсатора (V), то есть объёму поля.

Отношение представляет собой среднее значение энергии, приходящейся на единичный объём поля .

Эта характеристика энергетической насыщённости поля получила название «объёмная плотность энергии».

Обычно эта характеристика носит точечный, локальный характер. Вокруг заданной точки выбирают элементарный объём dV и вычисляют энергетическую плотность, деля энергию этой области dW на её объём

(4.14)

Объёмная плотность энергии в заданной точке электрического поля пропорциональна квадрату напряжённости поля в этой точке. Измеряется объёмная плотность энергии, конечно, в Дж/м³:

.

Зная, как меняется плотность энергии в пространстве, можно вычислить энергию, сосредоточенную в объёме V, электрического поля:

.

Пример.

Проводящий шар радиусом R несет заряд Q. Какова энергия электрического поля этого шара?

Поле внутри заряженного шара отсутствует, а вне шара оно совпадает с полем точечного заряда:

, r  R

Объёмная плотность энергии такого поля

Вычислим энергию, сосредоточенную в сферическом слое толщиной dr (рис. 4.13.)

Рис. 4.13.

Теперь просуммируем энергии всех слоёв от R до 

Вспомним, что 4₀R = с — ёмкость шара (см. 4.4.), а — его потенциал. Тогда:

. (4.15)

Эта энергия поля равна работе, которая была совершена при зарядке шара до потенциала ₀ = . Покажем это.

Начнем заряжать шар, перенося на него из бесконечности электрические заряды малыми порциями dq. Если в некоторый момент времени заряд шара окажется равным q, а его потенциал — то при переносе следующей порции заряда dq придется совершить работу против сил электрического поля

Теперь легко вычислить полную работу, которую необходимо проделать, чтобы передать первоначально незаряженному шару заряд Q:

Эта работа, как и ожидалось, равна энергии электрического поля, созданного нами при зарядке шара (см. 4.15).