Система двух заряженных тел. Энергия электрического поля. Работа при поляризации диэлектрика. Система заряженных тел. Силы при наличии диэлектрика

Вычислим энергию заряженного конденсатора. Пусть первоначально обкладки конденсатора не заряжены. Будем переносить положительный (ил отрицательный) заряд малыми порциями с одной обкладки на другую. Для переноса необходимо совершить работу против электрического поля;

,

где - мгновенное значение разности потенциалов между обкладками. Эта работа полностью идет на увеличение электрической энергии конденсатора

.

Интегрируя, получим

.

Энергия взаимодействия точечных зарядов получается при переносе их из бесконечности в то место, где они расположены. Получается формула

,

где штрих при потенциале означает, что при его расчете учитываются все заряды, кроме того, на который они действуют. Для непрерывно распределенных зарядов получается интеграл по объему, занимаемому зарядами

,

где - объемная плотность зарядов.

Так как электрическое поле конденсатора сконцентрировано внутри и однородно, то можно считать, что энергия поля тоже распределена внутри конденсатора. Если разделить вычисленную энергию на объем , где - площадь обкладки, то получится объемная плотность энергии

.

Можно показать, что эта формула верна при любой конфигурации электрического поля.

Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция была открыта Фарадеем в 1831 г. Для демонстрации этого явления возьмем неподвижный магнит и проволочную катушку, концы которой соединены с гальванометром. Если катушку приближать к одному из полюсов магнита, то во время движения стрелка гальванометра отклоняется - в катушке возбуждается электрический ток. При движении катушки в обратном направлении направление тока меняется на противоположное. Магнит можно заменить другой катушкой с током или электромагнитом. Этот ток называется индукционным током, а само явление - электромагнитной индукцией.

Возбуждение электрического тока при движении проводника в магнитном поле объясняется действием силы Лоренца, возникающей при движении проводника. Рассмотрим простейший случай, когда два параллельных провода и помещены в постоянное однородное магнитное поле, перпендикулярное к плоскости рисунка и направленное на нас. (см. рис.) Слева провода и замкнуты, справа - разомкнуты. Вдоль проводов свободно движется проводящий мостик . Когда мостик движется вправо со скоростью , вместе с ним движутся электроны и положительные ионы. На каждый движущийся заряд в магнитном поле действует сила Лоренца . На положительный ион она действует вниз, на отрицательный электрон - вверх. Электроны начнут перемещаться вверх и там будет скапливаться отрицательный заряд, внизу останется больше положительных ионов. То есть положительные и отрицательные заряды разделяются, возникает электрическое поле вдоль мостика, и потечет ток. Этот ток называется индукционным. Ток потечет и в других частях контура . На рисунке токи изображены сплошными стрелками.

Возникает напряженность стороннего поля, равная .Электродвижущая сила, создаваемая этим полем, называется электродвижущей силой индукции и обозначается . В рассматриваемом случае , где - длина мостика. Знак минус поставлен потому, что стороннее поле направлено против положительного обхода контура, определяемого вектором по правилу правого винта. Величина есть приращение площади контура в единицу времени. Поэтому равна , т.е. скорости приращения магнитного потока, пронизывающего площадь контура . Таким образом,

.

К этой формуле необходимо добавить правило, которое позволяет быстро определять направление индукционного тока. Оно носит название правило Ленца и гласит: Индукционный ток всегда имеет такое направление, что его собственное магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, его вызывающего.

Возникающий в проводнике ток исчезает потому, что существует сопротивление. Если бы сопротивления не было, то раз возникнув, ток продолжался бесконечно долго. Такие условия встречаются в сверхпроводниках. Кроме этого, закон электромагнитной индукции позволяет объяснить диамагнетизм в атомах и молекулах. Магнитное поле возникшего дополнительного тока направлено в сторону, противоположную внешнему полю. И так как сопротивления в молекулах нет, то оно не исчезает.

Магнитный поток

После предварительного рассмотрения сформулируем закон в общем виде. Как и в случае электрического поля можно ввести поток индукции магнитного поля:

.

Здесь - площадь контура, через который проходит магнитное поле, - нормаль к площадке, ограниченной контуром. Скалярное произведение может быть заменено на , где - угол между направлениями вектора индукции и нормалью. Если магнитная индукция меняется по величине и направлению, то формула для потока переходит в следующую

Вычислим энергию заряженного конденсатора. Пусть первоначально обкладки конденсатора не заряжены. Будем переносить положительный (ил отрицательный) заряд малыми порциями с одной обкладки на другую. Для переноса необходимо совершить работу против электрического поля; , где - мгновенное значение разности потенциалов между обкладками. Эта работа полностью идет на увеличение электрической энергии конденсатора .

Интегрируя, получим
.

Энергия взаимодействия точечных зарядов получается при переносе их из бесконечности в то место, где они расположены. Получается формула , где штрих при потенциале означает, что при его расчете учитываются все заряды, кроме того, на который они действуют. Для непрерывно распределенных зарядов получается интеграл по объему, занимаемому зарядами , где - объемная плотность зарядов.

Так как электрическое поле конденсатора сконцентрировано внутри и однородно, то можно считать, что энергия поля тоже распределена внутри конденсатора. Если разделить вычисленную энергию на объем , где - площадь обкладки, то получится объемная плотность энергии

.

Можно показать, что эта формула верна при любой конфигурации электрического поля.

Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция была открыта Фарадеем в 1831 г. Для демонстрации этого явления возьмем неподвижный магнит и проволочную катушку, концы которой соединены с гальванометром. Если катушку приближать к одному из полюсов магнита, то во время движения стрелка гальванометра отклоняется - в катушке возбуждается электрический ток. При движении катушки в обратном направлении направление тока меняется на противоположное. Магнит можно заменить другой катушкой с током или электромагнитом. Этот ток называется индукционным током, а само явление - электромагнитной индукцией.

Возбуждение электрического тока при движении проводника в магнитном поле объясняется действием силы Лоренца, возникающей при движении проводника. Рассмотрим простейший случай, когда два параллельных провода и помещены в постоянное однородное магнитное поле, перпендикулярное к плоскости рисунка и направленное на нас. (см. рис.) Слева провода и замкнуты, справа - разомкнуты. Вдоль проводов свободно движется проводящий мостик . Когда мостик движется вправо со скоростью , вместе с ним движутся электроны и положительные ионы. На каждый движущийся заряд в магнитном поле действует сила Лоренца . На положительный ион она действует вниз, на отрицательный электрон - вверх. Электроны начнут перемещаться вверх и там будет скапливаться отрицательный заряд, внизу останется больше положительных ионов. То есть положительные и отрицательные заряды разделяются, возникает электрическое поле вдоль мостика, и потечет ток. Этот ток называется индукционным. Ток потечет и в других частях контура . На рисунке токи изображены сплошными стрелками.

Возникает напряженность стороннего поля, равная .Электродвижущая сила, создаваемая этим полем, называется электродвижущей силой индукции и обозначается . В рассматриваемом случае , где - длина мостика. Знак минус поставлен потому, что стороннее поле направлено против положительного обхода контура, определяемого вектором по правилу правого винта. Величина есть приращение площади контура в единицу времени. Поэтому равна , т.е. скорости приращения магнитного потока, пронизывающего площадь контура . Таким образом, . К этой формуле необходимо добавить правило, которое позволяет быстро определять направление индукционного тока. Оно носит название правило Ленца и гласит: Индукционный ток всегда имеет такое направление, что его собственное магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, его вызывающего.

Возникающий в проводнике ток исчезает потому, что существует сопротивление. Если бы сопротивления не было, то раз возникнув, ток продолжался бесконечно долго. Такие условия встречаются в сверхпроводниках. Кроме этого, закон электромагнитной индукции позволяет объяснить диамагнетизм в атомах и молекулах. Магнитное поле возникшего дополнительного тока направлено в сторону, противоположную внешнему полю. И так как сопротивления в молекулах нет, то оно не исчезает.

Магнитный поток

Потоком вектора магнитной индукции (магнитным потоком) через площадку dS называется скалярная физическая величина, равная

где Вn - В cos a - проекция вектора В на направление нормали к площадке dS (а - угол между векторами n и В); dS - вектор, модуль которого равен dS, а направление его совпадает с направлением нормали n к площадке.

Поток вектора В может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от знака cos а (определяется выбором положительного направления нормали n). Поток вектора B связывают с контуром, по которому течет ток. В таком случае положительное направление нормали к контуру связывается с током правилом правого винта. Следовательно, магнитный поток, создаваемый контуром через поверхность ограниченную им самим, всегда положителен.

Для того чтобы зарядить конденсатор, т. е. создать некоторую разность потенциалов между двумя телами – обкладками конденсатора, нужно затратить некоторую работу. Это связано с тем, что процесс зарядки тела, как мы говорили в § 5, означает всегда разделение зарядов, т. е. создание на одном теле избытка зарядов одного знака, а на другом теле – другого знака. При этом приходится преодолевать силы притяжения друг к другу положительных и отрицательных зарядов, т. е. затрачивать работу. Когда конденсатор разряжается, т. е. ранее разделенные заряды воссоединяются, то такую же работу совершают электрические силы. Таким образом, заряженный конденсатор обладает запасом потенциальной энергии, равным той работе, которая была затрачена на его зарядку.

Мы можем выразить эти факты иначе. Заряжая конденсатор, мы создаем в нем электрическое поле; при разрядке конденсатора это поле исчезает. Затраченная нами работа пошла на создание поля, а работа, совершаемая при разрядке конденсатора, получается за счет исчезновения этого поля. Можно сказать, следовательно, что всякое поле обладает некоторым запасом потенциальной энергии, освобождаемой при исчезновении этого поля.

Для наиболее простого случая плоского конденсатора (рис. 69) эту работу нетрудно вычислить. До тех пор, пока расстояние между пластинами мало по сравнению с размерами пластин, напряженность поля в плоском конденсаторе не зависит от расстояния . Действительно, в плоском конденсаторе поле однородно и его напряженность . Но разность потенциалов между пластинами конденсатора , а емкость (предполагаем, что между пластинами – вакуум, – площадь пластин). Таким образом,

, (38.1)

т. е. при постоянных и напряженность поля не зависит от , так как при изменении изменяется также .

Рис. 69. При раздвигании на расстояние пластин плоского конденсатора с зарядами и , напряженность поля в котором равна , затрачивается работа

Сила, с которой притягиваются друг к другу две противоположно заряженные пластины конденсатора, зависит от заряда на каждой из пластин и от напряженности поля . Так как при изменении не изменяются ни , ни , то неизменной остается и сила притяжения . Поэтому работа, которую нужно затратить, чтобы раздвинуть пластины от нулевого расстояния между ними до расстояния , равна . Но раздвижение пластин означает зарядку конденсатора, у которого расстояние между пластинами равно . Действительно, когда расстояние между пластинами равно нулю, т. е. пластины сложены вместе, то их заряды и образуют компенсированный двойной слой, и система не заряжена. Раньше (§ 7) мы уже подробно рассматривали появление электрических зарядов на двух телах как раздвижение двойного слоя электрических зарядов.

Запас энергии , которым обладает заряженный конденсатор, равен работе , которая была затрачена на его зарядку: . Чтобы вычислить эту работу, нам остается только определить силу . Для этого воспользуемся напряженностью поля в конденсаторе. Можно рассматривать как результирующую двух равных напряженностей и , из которых одна обусловлена положительным зарядом на одной пластине (на верхней пластине), а другая – отрицательным зарядом на другой (нижней) пластине (рис. 69). Ясно, что обе эти напряженности направлены в одну и ту же сторону, так что . Так как (потому что обе пластины конденсатора и их заряды симметричны), то . Сила взаимодействия между пластинами – это сила, с которой поле напряженности , вызванное зарядом на верхней пластине, действует на заряд нижней пластины и тянет его вверх. Но, с другой стороны, равно силе, с которой поле напряженности , вызванное зарядом на нижней пластине, действует на заряд верхней пластины и тянет ее к низу.

Таким образом,

, (38.2)

, (38.3)

а так как

Вспомнив, что заряд конденсатора , мы можем переписать эту формулу также в виде

Если в формулах (38.4) и (38.5) заряд выражать в кулонах, разность потенциалов в вольтах, а емкость в фарадах, то энергия будет выражена в джоулях. Формула (38.5) дает возможность понять, почему при разряде лейденской банки или батареи из нескольких банок, обладающей сравнительно большой емкостью, искра получается более мощной, производит более сильный звук и большее физиологическое действие, чем при разряде конденсатора малой емкости при том же напряжении. Батарея имеет больший запас энергии, чем одна банка. Молния представляет собой разряд конденсатора, «обкладками» которого являются либо два облака, либо облако и поверхность Земли. Емкость такого конденсатора сравнительно невелика, но запас энергии в молнии довольно значительный, потому что напряжение на этом конденсаторе достигает миллиарда вольт ( В).

Электрическая энергия Из курса механики известно, что тела, взаимодействующие посредством гравитационных сил, обла дают потенциальной энергией. Закон Кулона для взаимодействия электрически заряженных тел имеет такую же математическую форму, что и закон всемирного тяготения. Отсюда можно сделать вывод, что система заряженных тел также обладает потенциальной энергией. Эго означает, что система заряженных тел способна соьершить определенную работу.

Например, такая работа совершается при отталкивании заряженных листочков электроскопа друг от друга.

Потенциальную энергию заряженных тел называют электрической или кулоновской.

Энергия взаимодействия электронов с ядром в атоме и энергия взаимодействия атомов друг с другом в молекулах (химиче ская энергия) это в основном электрическая энергия. Огромная электрическая энергия запасена внутри атомного ядра. Именно за счет этой энергии выделяется теплота при работе ядерного реактора атомной электростанции.

С точки зрения теории близкодействия на заряд непосредственно действуют не другие заряды, а созданное ими электрическое поле При перемещении заряда именно действующая на него со стороны поля сила совершает работу. (В дальнейшем для краткости мы будем говорить о работе поля.) Поэтому можно говорить не только об энергии системы заряженных частиц, но и о потенциальной энергии отдельного заряженного тела в электрическом поле.

Найдем потенциальную энергию заряда в однородном электрическом поле.

Работа при перемещении заряда в однородном поле. Однородное поле создают, например, большие металлические пластины, имеющие заряды противоположного знака. Это поле действует на заряд с постоянной силой подобно тому как Земля действует с постоянной силой на камень вблизи ее поверхности. Пусть пластины расположены вертикально (рис 124), причем левая пластина В заряжена отрицательно, а правая положительно. Вычислим работу, совершаемую полем при перемещении заряда из точки 1, находящейся на расстоянии от пластины В, в точку 2, расположенную на расстоянии от той же пластины. Точки 1 и 2 лежат на одной силовой линии.

На участке пути электрическое поле совершит работу:

Эта работа не зависит от формы траектории.

Соответствующее доказательство для постоянной силы тяжести приведено в учебнике физики для VIII класса и повторять его для постоянной силы нет необходимости. Здесь существен только факт постоянства силы, но не ее происхождение.

Потенциальная энергия. Если работа не зависит от формы траектории движения тела, то она равна изменению потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком. (Об

этом подробно говорилось в курсе физики VIII класса.) Действительно,

Потенциальная энергия заряда в однородном электрическом поле на расстоянии от пластины.

Формула (8.19) подобна формуле для потенциальной энергии тела над поверхностью Земли. Но заряд в отличие от массы может быть как положительным, так и отрицательным. Если то потенциальная энергия (8.19) отрицательна.

Если поле совершает положительную работу, то потенциальная энергия заряженного тела в поле уменьшается: Одновременно согласно закону сохранения энергии растет его кинетическая энергия. На этом основано ускорение электронов электрическим полем в электронных лампах, телевизионных трубках и т.д. Наоборот, если работа отрицательна (например, при движении положительно заряженной частицы в направлении, противоположном направлению напряженности Е; это движение подобно движению камня, брошенного вверх), то Потенциальная энергия растет, а кинетическая энергия уменьшается: частица тормозится.

На замкнутой траектории, когда заряд возвращается в начальную точку работа поля равна нулю:

Нулевой уровень потенциальной энергии. Потенциальная энергия (8.19) равна нулю на поверхности пластины В. Это означает, что нулевой уровень потенциальной энергии совпадает с пластиной В. Но, как и в случае сил тяготения, нулевой уровень потенциальной энергии выбирают произвольно. Можно считать, что на расстоянии от пластины В. Тогда

Физический смысл имеет не сама потенциальная энергия, а разность ее значений, определяемая работой поля при перемещении заряда из начального положения в конечное.