1.Энергия системы точечных зарядов

2.Энергия заряженного тела

3.Энергия заряженной сферы

4.Энергия конденсатора

5.Энергия электрического поля

6.Энергия заряженной сферы

7.Сила взаимодействия пластин конденсатора

8.Классический радиус электрона

9.Точечный заряд и бесконечная плоскость

10.Конденсатор с частичным заполнением-1

11.Конденсатор с частичным заполнением-2

Вся литература
Сивухин	§28-30;
Савельев	§7,28-30;
Трофимова	§95;
БКФ	§1.5;2.7;2.8;3.7

Все демонстрации: зависимость энергии шара от его радиуса
разряд конденсатора через лампочку

Все эксперименты:

Все задачи Занятие №16

ЛЕКЦИЯ №16

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ

1. Энергия системы точечных зарядов.

Пусть имеются два неподвижных точечных заряда (рис.16.1). Поле - электростатическое и потенциальное, силы консервативны. Работа, которую совершает поле заряда q₁ при переносе заряда q₂ из бесконечности в точку 2 в соответствии с (6.3) и (6.16) равна

Считая, что W_p¥(r_1¥®¥)=0, получаем

    (16.2)

Это энергия взаимодействия двух точечных зарядов, которая в зависимости от знака зарядов, может быть как положительной, так и отрицательной. Можно говорить, что заряд q₂ в поле, созданном зарядом q₁ обладает потенциальной энергией W_p. Из симметрии формулы ясно, что можно рассуждать и наоборот.

Теперь добавим в систему третий заряд q₃ (рис.16.2). По аналогии

а энергия всей системы зарядов

Заметим, что в это выражение все величины входят симметрично, т.е. безразлично, в какой последовательности мы собирали систему. Эта энергия не зависит от процесса, а лишь от состояния системы. Потенциальная энергия - это функция состояния системы. Нулевое значение берется при бесконечном удалении зарядов друг от друга. Заметим также, что это энергия всей системы, энергия взаимодействия, поэтому бессмысленно говорить, что какая-то часть этой энергии принадлежит одному из зарядов. Здесь мы не учитываем собственную энергию каждого точечного заряда.

Это та энергия, которую нужно затратить, чтобы собрать из бесконечно малых порций заряда точечный заряд. Формально она бесконечна, так как необходимо уложить заряды в нулевой объем. Кроме того, эту энергию изменить весьма проблематично. Поэтому можно считать, что это постоянная величина. А мы помним, что потенциальную энергию определяют с точностью до постоянной, которую всегда можно отбросить, так как смысл имеет не сама энергия, а ее изменение.

Обобщив сказанное, можно записать потенциальную энергию взаимодействия системы из N точечных зарядов

    (16.5)

Множитель 1/2 появляется в связи с тем, что при суммировании каждая пара зарядов входит в формулу два раза. Перепишем это выражение несколько по иному

, N>1    (16.6)

где j_i - потенциал в точке, где находится заряд q_i, созданный всеми другими зарядами.

Напомним, что энергия одного точечного заряда в поле, созданном всеми другими зарядами (рис.16.2) вычисляется в соответствии с формулами (6.16)-(6.18) как

    (16.7)

2. Энергия заряженного тела.

Если распределение зарядов в пространстве непрерывное, то

    (16.8)

Эту формулу уже можно трактовать и по-другому. При конечных размерах тела потенциал в любой точке пространства конечен в отличии от точечного заряда. Поэтому эту формулу можно рассматривать и как учитывающую собственную энергию заряда, то есть энергию, которую нужно было затратить, чтобы собрать этот заряд из бесконечно малых частей.

Заметим, что полная энергия (16.8) всегда положительна. При переходе к точечным зарядам она становится бесконечной положительной величиной. Если от этой бесконечной величины отнять бесконечную собственную энергию точечных зарядов, то останется конечная энергия взаимодействия точечных зарядов друг с другом (16.6), которая может быть как положительной, так и отрицательной.

Формула (16.7) соответствует духу теории дальнодействия, так как выражает энергию через потенциалы и заряды тел.

3. Энергия заряженной сферы.

Для примера рассчитаем энергию сферы с зарядом Q и радиусом R. Сначала запишем ее объемную плотность заряда как r=Ad(r-R), где d - дельта-функция Дирака, а константу А найдем из очевидного соотношения

где dV=4pr²dr. Очевидно, что - то есть поверхностная плотность заряда. Потенциал, который создает сфера, нам известен (7.17). Тогда энергия сферы в соответствии с (16.8)

    (16.24)

Хотя потенциал сферы внутри и снаружи описывается разными формулами, но при вычислении необходимо только его значение на поверхности сферы, а там он одинаков.

4. Энергия конденсатора.

Известно, что если взять заряженный конденсатор и замкнуть его обкладки через сопротивление, то по цепи потечет ток, проводник нагреется, выделится какое-то количество теплоты. Следовательно, заряженный конденсатор обладал запасом энергии.

Перекидывая ключ на схеме (рис.16.3)(попробуйте это сделать движением мыши), можно периодически заряжать конденсатор от источника и разряжать его через резистор. Лампочка при этом будет на короткое время вспыхивать. Найдем выражение для энергии плоского конденсатора, используя (16.6). Нас очень выручит то, что поле между обкладками этого конденсатора однородно. Тогда

Оказывается, что это выражение справедливо для любого конденсатора. Кроме того, учтем, что часто используют понятие напряжения U, как модуля разности (или изменения) потенциалов. В электростатике это справедливо. Более подробно мы разберем понятие напряжения в лекции №18.

Учитывая вышесказанное и (15.3), энергию конденсатора можно записать как

    (16.26)

Все три формы записи эквивалентны и применяются при решении задач в зависимости от того, какая из величин остается постоянной.

5. Энергия электрического поля.

Мы выяснили, что система точечных зарядов и конденсатор обладают энергией. Можно предположить, что это энергия самих зарядов, в том числе и расположенных на обкладках конденсатора. Однако можно говорить, что это энергия электрического поля, созданного системой зарядов или поля внутри конденсатора. Какая из этих точек зрения более правильная неясно. Ответ может дать только опыт, а в электростатике такой эксперимент невозможен, так как нет поля без зарядов, и зарядов без поля. Поэтому этот волнующий вопрос мы оставим без внимания до тех пор, пока не начнем изучать переменные поля.

Здесь выразим энергию конденсатора через характеристики поля, зная формулу емкости плоского конденсатора (15.6), связь между напряженностью и потенциалом (7.8), и очевидное выражение для объема V=Sd

Таким образом, энергия равна

    (16.28)

Естественно, это справедливо, если нет сторонних потерь и диэлектрическая проницаемость постоянна. Однако нетрудно догадаться, как выглядит это выражение в произвольном случае для бесконечно малого объема.

и окончательно

    (16.30)

Часто говорят об энергии единицы объема или о плотности энергии электростатического поля

    (16.31)

Формула (16.30) соответствует духу теории близкодействия, так как выражает энергию через характеристики поля. Сравните с (16.8). Эти формулы эквивалентны.

rem: Если вы считаете, что усвоили данный материал, то попробуйте поразмышлять о следующем. Энергия конденсатора и поля в нем согласно (16.26) и (16.30) положительна, а энергия разноименно заряженных пластин по (16.5) отрицательна. Как вы объясните это противоречие?

6. Энергия заряженной сферы(еще раз).

Вновь вернемся к задаче о заряженной сфере. Добавим вокруг нее среду с диэлектрической проницаемостью e. Рассчитаем еще двумя способами ее энергию. Емкость ее известна (15.10), тогда по (16.26)

    (16.32)

Теперь рассчитаем энергию поля, созданного этой сферой, не забыв о том, что внутри поля нет.

    (16.33)

Как и ожидалось, результаты (16.24), (16.32) и (16.33) совпадают.

rem: Заметим, что потенциальная энергия подчиняется принципу минимума: в любой системе проводников при фиксированных значениях потенциалов заряд распределяется таким образом, чтобы энергия, запасенная во всем поле была минимальна.

7. Сила взаимодействия пластин конденсатора.

Ранее отмечалось, что для любого потенциального поля выполняется следующее соотношение между силой и энергией

    (16.34)

Тогда несложно рассчитать силу взаимодействия между пластинами плоского конденсатора.

Через характеристики поля:

,

    (16.38)

Следовательно, сила, приходящаяся на единицу площади пластин конденсатора, численно равна плотности энергии. Как и следовало ожидать это сила притяжения, так как пластины заряжены разноименно.

Через энергию конденсатора (16.26) расчет еще проще

Эта формула в точности совпадает с (12.10).

Заметим, что сила стремится уменьшить область пространства, заполненного электрическим полем, то есть уменьшить потенциальную энергию в соответствии с принципом минимума потенциальной энергии.

8. Классический радиус электрона.

Будем считать, что электрон - это маленький шарик с зарядом q=е, радиусом R и диэлектрической проницаемостью e₁. Вокруг него среда с диэлектрической проницаемостью e₂.

Снаружи шара все аналогично заряженной сфере, так как поля шара и сферы снаружи одинаковы. Тогда энергия поля снаружи равна

Внутри равномерно заряженного шара поле тоже известно (5.14), поэтому

Интеграл несложный. Мы легко получаем энергию поля внутри шара

Очевидно, что полная энергия заряженного шара

Согласно знаменитому соотношению Эйнштейна между массой и энергией

где m- масса электрона, с- скорость света в вакууме. Приравнивая, получаем

    (16.45)

На коэффициент в скобках не обращают внимания, так как непонятно, что такое диэлектрическая проницаемость среды внутри электрона. Ясно, что эта величина находится в диапазоне от 0,5 до 0,6, поэтому ее для оценки считают равной единице, и определяют классический радиус электрона по формуле

    (16.46)

Расчет показывает, что эта величина равна

Вспомним, что радиус самого маленького атома водорода - первый боровский радиус R_b=0,529×10^-10 м , и убедимся, что атом в, основном, пуст, и напоминает солнечную систему в миниатюре.

9. Точечный заряд и бесконечная плоскость.

Вычислим энергию, которой обладает точечный заряд вблизи заземленной проводящей плоскости (см. лк.№10 п.1). Сила, действующая на заряд известна. Вычислим работу, совершаемую этой силой, при перемещении заряда в бесконечность. При бесконечном расстоянии энергия - 0.

    (16.48)

теперь найдем ту же самую величину как энергию взаимодействия двух точечных зарядов: самого заряда и его зеркального отображения по формуле (16.2).

Результат получился в 2 раза больше?! Дело в том, что за плоскостью на самом деле поля нет, поэтому от полученного выражения нужно оставить только половину, что как раз и совпадает с (16.48).

10. Конденсатор с частичным заполнением-1.

В качестве дополнительной тренировки рассчитаем силу, действующую на единице поверхности диэлектрика, если заряженный конденсатор заполнен им не полностью, а частично. Конденсатор отключен от источника питания.

Сначала рассмотрим следующую конфигурацию (рис.16.6). Данный конденсатор можно рассматривать как два конденсатора, соединенных последовательно. Тогда их емкости соответственно

и , а общая емкость

Энергия конденсатора

Тогда в соответствии с (16.34)

    (16.54)

Если e₁<e₂, то F_x<0. Если e₁>e₂, то F_x>0. Очевидно, что диэлектрик втягивается в область с меньшей диэлектрической проницаемостью. Направление силы легко было определить, как силу, действующую со стороны поля на поляризационный заряд. И, наконец, если конденсатор заполнится полностью диэлектриком с большей диэлектрической проницаемостью, то его энергия станет меньше в соответствии с принципом минимума.

Выразим формулу (16.54) через характеристики поля, учитывая, что Q=sS=DS. Заметим, что индукции по обе стороны от границы одинаковы. Тогда

Следовательно, сила, приходящаяся на единицу площади пластин конденсатора, численно равна разности плотности энергий

    (16.57)

Сравните с (16.38) и вспомните, что снаружи конденсатора поля нет. Заметим только, что (16.38) - это сила, действующая на заряженную пластину (обкладку), а (16.57) - сила, действующая на поверхность диэлектрика. Они отличаются знаками, но по модулю равны, ведь третий закон Ньютона должен выполняться и здесь.

Эту же формулу можно получить быстрее, используя (16.30) и (16.31).

где V₁=Sx, V₂=S(d-x) - объемы областей, заполненных каждым диэлектриком. При смещении границы плотности энергии не меняются. После дифференцирования вновь получаем формулу (16.57).

11. Конденсатор с частичным заполнением-2.

Пусть теперь диэлектрик заполняет конденсатор по-другому (рис.16.7). Сторона пластины равна а. Очевидно, что такую систему можно рассмотреть как два параллельно соединенных конденсатора. Далее все делаем по аналогии с п.10 и получаем следующее выражение для силы

    (16.59)

Опять видим, что сила направлена в сторону диэлектрика с меньшей диэлектрической проницаемостью. Учтем, что при этом распределение зарядов на пластинах конденсатора меняется. Однако напряженности поля справа и слева от границы равны.

Через характеристики поля сила, действующая на единицу поверхности, выражается следующим образом

    (16.60)

Формулы (16.57) и (16.60) очень похожи.

Можно сделать общий вывод:

Lex: Сила, действующая на границу диэлектрика, пропорциональна разности плотностей энергии электростатического поля и направлена в сторону диэлектрика с меньшей диэлектрической проницаемостью.

Теперь мы легко можем рассчитать, на какую высоту поднимется жидкий диэлектрик между двумя заряженными пластинами (лк. №12 п.7 рис.12.11). Остановит подъем гидростатическое давление. Сверху над диэлектриком - вакуум. Тогда

отсюда высота подъема

Попробуйте решить ту же задачу, если конденсатор подключен к источнику питания. Результат должен быть аналогичен (16.60). Если ошибетесь со знаком, то посмотрите разъяснения Фейнмана (т.5 стр 158 и 213).