- •3 Электричество и электромагнетизм Глава 11 Электростатика § 77. Закон сохранения электрического заряда
- •§ 78. Закон Кулона
- •§ 79. Электростатическое поле. Напряженность электростатического поля
- •§ 80. Принцип суперпозиции электростатических полей. Поле диполя
- •§ 81. Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме
- •§ 82. Применение теоремы Гаусса к расчету некоторых электростатических полей в вакууме
- •§ 83. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля
- •§ 84. Потенциал электростатического поля
- •§ 85. Напряженность как градиент потенциала. Эквипотенциальные поверхности
- •§ 86. Вычисление разности потенциалов по напряженности поля
- •§ 87. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков
- •§ 88. Поляризованность. Напряженность поля в диэлектрике
- •§ 88. Электрическое смещение. Теореме Гаусса для электростатического поля в диэлектрике
- •§ 90. Условия на границе раздела двух диэлектрических сред
- •§ 91. Сегнетоэлектрики
- •§ 92. Проводники в электростатическом поле
- •§ 93. Электрическая емкость уединенного проводника
- •§ 94. Конденсаторы
- •§ 95. Энергия системы зарядов, уединенного проводника и конденсатора. Энергия электростатического поля
- •Глава 12 Постоянный электрический ток § 96. Электрический ток, сила и плотность тока
- •§ 97. Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение
- •§ 98. Закон Ома. Сопротивление проводников
- •§ 99. Работа и мощность тока. Закон Джоуля — Ленца
- •§ 100. Закон Ома для неоднородного участка цепи
- •§ 101. Правила Кирхгофа для разветвленных цепей
- •Глава 13 Электрические токи в металлах, вакууме и газах § 102. Элементарная классическая теория электропроводности металлов
- •§ 103. Вывод основных законов электрического тока в классической теории электропроводности металлов
- •§ 104. Работа выхода электронов из металла
- •§ 105. Эмиссионные явления и их применение
- •§ 106. Ионизация газов. Несамостоятельный газовый разряд
- •§ 107. Самостоятельный газовый разряд и его типы
- •§ 108. Плазма и ее свойства
- •Глава 14 Магнитное поле § 109. Магнитное поле и его характеристики
- •§ 110. Закон Био — Савара — Лапласа и его применение к расчету магнитного поля
- •§ 111. Закон Ампера. Взаимодействие параллельных токов
- •§ 112. Магнитная постоянная. Единицы магнитной индукции и напряженности магнитного поля
- •§ 113. Магнитное поле движущегося заряда
- •§ 114. Действие магнитного поля на движущийся заряд
- •§ 115. Движение заряженных частиц в магнитном поле
- •§ 116. Ускорители заряженных частиц
- •§ 117. Эффект Холла
- •§ 118. Циркуляция вектора в магнитного поля в вакууме
- •§ 119. Магнитные поля соленоида и тороида
- •§ 120. Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса для поля в
- •§ 121. Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле
- •Глава 15 Электромагнитная индукция §122. Явление электромагнитной индукции (опыты Фарадея)
- •§ 123. Закон Фарадея и его вывод из закона сохранения энергии
- •§ 124. Вращение рамки в магнитном поле
- •§ 125. Вихревые токи (токи Фуко)
- •§ 126. Индуктивность контура. Самоиндукция
- •§ 127. Токи при размыкании и замыкании цепи
- •§ 128. Взаимная индукция
- •§ 129. Трансформаторы
- •§ 130. Энергия магнитного поля
- •Глава 16 Магнитные свойства вещества § 131. Магнитные моменты электронов и атомов
- •§ 133. Намагниченность. Магнитное поле в веществе
- •§ 134. Условия на границе раздела двух магнетиков
- •§ 135. Ферромагнетики и их свойства
- •§ 136. Природа ферромагнетизма
- •Глава 17 Основы теории Максвелла для электромагнитного поля § 137. Вихревое электрическое поле
- •§ 138. Ток смещения
- •§ 139. Уравнения Максвелла для электромагнитного поля
- •Оглавление
- •§ 78. Закон Кулона 1
- •§ 80. Принцип суперпозиции электростатических полей. Поле диполя 4
§ 95. Энергия системы зарядов, уединенного проводника и конденсатора. Энергия электростатического поля
1. Энергия системы неподвижных точечных зарядов. Электростатические силы взаимодействия консервативны (см. § 83); следовательно, система зарядов обладает потенциальной энергией. Найдем потенциальную энергию системы двух неподвижных точечных зарядов Q1 и Q2, находящихся на расстоянии r друг от друга. Каждый из этих зарядов в поле другого обладает потенциальной энергией (см. (84.2) и (84.5)):
где 12 и 21 — соответственно потенциалы, создаваемые зарядом Q2 в точке нахождения заряда Q1 и зарядом Q1 в точке нахождения заряда Q2. Согласно (84.5),
поэтому W1 = W2 = W и
Добавляя к системе из двух зарядов последовательно заряды Q3, Q4, ... , можно убедиться в том, что в случае n неподвижных зарядов энергия взаимодействия системы точечных зарядов равна
(95.1)
где i — потенциал, создаваемый в той точке, где находится заряд Qi, всеми зарядами, кроме i-го.
2. Энергия заряженного уединенного проводника. Пусть имеется уединенный проводник, заряд, емкость и потенциал которого соответственно равны Q, С, . Увеличим заряд этого проводника на dQ. Для этого необходимо перенести заряд dQ из бесконечности на уединенный проводник, затратив на это работу, равную
Чтобы зарядить тело от нулевого потенциала до , необходимо совершить работу
(95.2)
Энергия заряженного проводника равна той работе, которую необходимо совершить, чтобы зарядить этот проводник:
(95.3)
Формулу (95.3) можно получить и из того, что потенциал проводника во всех его точках одинаков, так как поверхность проводника является эквипотенциальной. Полагая потенциал проводника равным , из (95.1) найдем
где - заряд проводника.
3. Энергия заряженного конденсатора. Как всякий заряженный проводник, конденсатор обладает энергией, которая в соответствии с формулой (95.3) равна
(95.4)
где Q — заряд конденсатора, С — его емкость, — разность потенциалов между обкладками конденсатора.
Используя выражение (95.4), можно найти механическую (пондеромоторную) силу, с которой пластины конденсатора притягивают друг друга. Для этого предположим, что расстояние х между пластинами меняется, например, на величину dx. Тогда действующая сила совершает работу dA=Fdx вследствие уменьшения потенциальной энергии системы Fdx = — dW, откуда
(95.5)
Подставив в (95.4) выражение (94.3), получим
(95.6)
Производя дифференцирование при конкретном значении энергии (см. (95.5) и (95.6)), найдем искомую силу:
где знак минус указывает, что сила F является силой притяжения.
4. Энергия электростатического поля. Преобразуем формулу (95.4), выражающую энергию плоского конденсатора посредством зарядов и потенциалов, воспользовавшись выражением для емкости плоского конденсатора (C=0S/d) и разности потенциалов между его обкладками (=Ed. Тогда
(95.7)
где V= Sd — объем конденсатора. Формула (95.7) показывает, что энергия конденсатора выражается через величину, характеризующую электростатическое поле, — напряженность Е.
Объемная плотность энергии электростатического поля (энергия единицы объема)
(95.8)
Выражение (95.8) справедливо только для изотропного диэлектрика, для которого выполняется соотношение (88.2): Р =0Е.
Формулы (95.4) и (95.7) соответственно связывают энергию конденсатора с зарядом на его обкладках и с напряженностью поля. Возникает, естественно, вопрос о локализации электростатической энергии и что является ее носителем — заряды или поле? Ответ на этот вопрос может дать только опыт. Электростатика изучает постоянные во времени поля неподвижных зарядов, т. е. в ней поля и обусловившие их заряды неотделимы друг от друга. Поэтому электростатика ответить на поставленные вопросы не может. Дальнейшее развитие теории и эксперимента показало, что переменные во времени электрические и магнитные поля могут существовать обособленно, независимо от возбудивших их зарядов, и распространяются в пространстве в виде электромагнитных волн, способных переносить энергию. Это убедительно подтверждает основное положение теории близкодействия о том, что энергия локализована в поле и что носителем энергии является поле.
Задачи
11.1. Два заряженных шарика, подвешенных на нитях одинаковой длины, опускаются в керосин плотностью 0,8 г/см3. Какова должна быть плотность материала шариков, чтобы угол расхождения нитей в воздухе и керосине был один и тот же? Диэлектрическая проницаемость керосина =2. [1,6 г/см3]
11.2. На некотором расстоянии от бесконечной равномерно заряженной плоскости с поверхностной плотностью =1,5 нКл/см2 расположена круглая пластинка. Плоскость пластинки составляет с линиями напряженности угол =45°. Определить поток вектора напряженности через эту пластинку, если ее радиус r=10 см. [1,88 кВм]
11.3. Кольцо радиусом r=10 см из тонкой проволоки равномерно заряжено с линейной плотностью =10 нКл/м. Определить напряженность поля на оси, проходящей через центр кольца в точке А. удаленной на расстояние а =20 см от центра кольца. [1 кВ/м]
11.4. Шар радиусом R=10 см заряжен равномерно с объемной плотностью =5 нКл/м3. Определить напряженность электростатического поля: 1) на расстоянии r1=2 см от центра шара; 2) на расстоянии r2=12 см от центра шара. Построить зависимость Е(r). [1) 3,77 В/м; 2) 13,1 В/м]
11.5. Электростатическое поле создается положительно заряженной бесконечной нитью с постоянной линейной плотностью = 1 нКл/см. Какую скорость приобретет электрон, приблизившись под действием поля к нити вдоль линии напряженности с расстояния r1=2,5 см до r2=1,5 см? [18 Мм/с]
11.6. Электростатическое поле создается сферой радиусом R=4 см, равномерно заряженной с поверхностной плотностью =1 нКл/м2. Определить разность потенциалов между двумя точками поля, лежащими на расстояниях r1=6 см и r2=10 см. [1,2 В]
11.7. Определить линейную плотность бесконечно длинной заряженной нити, если работа сил поля по перемещению заряда Q =1 нКл с расстояния r1 =10 см до r2 = 5 см в направлении, перпендикулярном нити, равна 0,1 мДж. [8 мкКл/м]
11.8. Пространство между обкладками плоского конденсатора заполнено парафином ( = 2). Расстояние между пластинами d=8,85 мм. Какую разность потенциалов необходимо подать на пластины, чтобы поверхностная плотность связанных зарядов на парафине составляла 0,05 нКл/см2? [500 В]
11.9. Свободные заряды равномерно распределены с объемной плотностью =10 нКл/м3 по шару радиусом R = 5 см из однородного изотропного диэлектрика с диэлектрической проницаемостью =6. Определить напряженности электростатического поля на расстояниях r1 = 2 см и r2 = 10 см от центра шара. [E1=1,25 В/м; E2=23,5 В/м]
11.10. Пространство между пластинами плоского конденсатора заполнено стеклом ( = 7). Расстояние между пластинами d=5 мм, разность потенциалов U=500 В. Определить энергию поляризованной стеклянной пластины, если ее площадь S = 50 см2. [6,64 мкДж]
11.11. Плоский воздушный конденсатор емкостью С=10 пФ заряжен до разности потенциалов U=1 кВ. После отключения конденсатора от источника напряжения расстояние между пластинами конденсатора было увеличено в два раза. Определить: 1) разность потенциалов на обкладках конденсатора после их раздвижения; 2) работу внешних сил по раздвижению пластин. [1) 2 кВ; 2) 5 мкДж]
11.12. Разность потенциалов между пластинами конденсатора U=200 В. Площадь каждой пластины S=100 см2, расстояние между пластинами d=1 мм, пространство между ними заполнено парафином ( = 2). Определить силу притяжения пластин друг к другу. [3,54 мН]