Энергия электрического поля

Энергия электрического поля

    Исходя из опытов, заряженный конденсатор имеет запас энергии.

    Определение 1

    Энергия заряженного конденсатора равняется работе внешних сил, которая необходима для его зарядки.

    Его заряжение представляется как последовательный перенос малых порций заряда q>0 с одной обкладки на другую, как изображено на рисунке 1.7.1 Одна из них заряжается положительным зарядом, другая – отрицательным. Процесс производится при уже имеющемся некотором заряде q, тогда как между обкладками существует разность потенциалов U=qC, а при переносе q внешние силы совершают работу A=Uq=qqC.

    Нахождение энергии We конденсатора с емкостью С и с зарядом Q производится с помощью интегрирования в переделах от 0 до Q. Формула примет вид:

    We=A=Q22C.

    Рисунок 1.7.1. Процесс зарядки конденсатора.

    Энергия заряженного конденсатора

    Существует еще одна эквивалентная запись заряженного конденсатора при использовании соотношения Q=CU:

    We=Q22C=CU22=QU2.

    Электрическая энергия We рассматривается как потенциальная. Формулы для We аналогичны формулам потенциальной энергии Ep деформированной пружины, а именно:

    Ep=kx22=F22k=Fx2, где k является жесткостью пружины, х – деформацией, F=kx – внешней силой.

    Определение 2

    Современные представления электрической энергии говорят о том, что она сосредоточена между пластинами конденсатора. В связи с этим и получила название энергии электрического поля. Это объяснимо с помощью иллюстрирования заряженного плоского конденсатора.

    Объемная плотность электрической энергии

    Определение 3

    Напряженность однородного поля плоского конденсатора равняется E=Ud, его емкостьC=ε0εSd.

    Отсюда следует, что We=C·U22=ε0·ε·S·E2·d22d=ε0·ε·E22V, где V=Sd обозначает объем пространства между обкладками с наличием электрического поля. Данное соотношение приводит к формуле следующей физической величины.

    Определение 4

    Физическая величина We=ε0·ε·E22 – это электрическая энергия на единицу объема пространства, в котором создается электрическое поле. Ее называют объемной плотностью данной электрической энергии.

    Энергия поля конденсатора, создаваемая любыми распределениями электрических зарядов в пространстве, находится путем интегрирования We по всему объему, в котором было создано электрическое поле.

    Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
    Средняя оценка статьи
    4,0 из 5 (11 голосов)