Объемная плотность энергии. Объемная плотность энергии электрического поля и выражение механической силы в виде производной от энергии электрического поля по изменяющейся координате Что такое объемная плотность энергии электрического поля

Положим, что в некоторый момент времени напряжение на конденсаторе равно и. При увеличении напряжения на конденсаторе на du заряд на одной из пластин конденсатора увеличится на dQ, а на другой - на -dQ, dQ-C du, где С- емкость конденсатора.

Для переноса заряда dQ источник энергии должен совершить работу и dQ = C и du, которая затрачивается на создание электрического поля в конденсаторе.

Энергия, доставленная источником при заряде конденсатора от напряжения и = 0 до напряжения u = U и перешедшая в энергию электрического поля конденсатора, равна

Рассмотрим вопрос об объемной плотности энергии электрического поля. Для этого возьмем плоский конденсатор и положим, что расстояние между пластинами его равно х, а площадь каждой пластины с одной стороны равна S. Диэлектрическая проницаемость среды между пластинами е а. Напряжение между пластинами U Пренебрежем искажающим влиянием краев конденсатора на поле между пластинами. При этом условии поле можно считать равномерным. Напряженность электрического поля по модулю: E = U/x. Вектор электрической индукции по модулю: ?> = е, E-QIS. Емкость плоского конденсатора С = е. Six. Для нахождения объемной плотности энергии электрического поля разделим энергию W = С?/ 2 /2*е а S(J 2 /(2x) на объем У = S х, «занятый» полем. Получим У,1У = г ш Е 2 12 = Е 0/2.

Таким образом, объемная плотность энергии электрического поля равна е а Е 2 12. Если поле неравномерно, то напряженность будет изменяться при переходе от одной точки поля к соседней, но объемная плотность энергии поля будет по-прежнему равна е, Е 2 12, так как в пределах бесконечно малого объема поле можно считать равномерным

Выделим в поле элементарный объем dV. Энергия в этом объеме равна (е а E l l2)dV. Энергия, заключенная в объеме У любых размеров, равна |е а E 2 l2dV. В электрическом

поле между заряженными телами действуют механические силы и их можно выразить в виде производной от энергии поля по изменяющейся координате На рис. 19.24, б изображен плоский конденсатор, который присоединен к источнику напряжения U. В соответствии с предыдущим расстояние между пластинами назовем х, а площадь пластины - S. Под действием этих сил пластины конденсатора стремятся сблизиться. Сила, действующая на нижнюю пластину, направлена вверх, на верхнюю пластину - вниз.

Положим, что под действием силы F нижняя пластина медленно (теоретически бесконечно медленно) переместилась вверх на расстояние dx и приняла положение, показанное пунктиром на рис. 19.24, б. Составим уравнение для баланса энергии при таком перемещении пластин. На основании закона сохранения энергии доставленная источником питания энергия dW H должна равняться сумме трех слагаемых: 1) работе силы F на расстоянии dx, 2) изменению энергии электрического поля конденсатора dW, 3) тепловым потерям от тока i t который протекает по проводам сопротивлением R в течение времени от 0 до «:

В общем случае при перемещении пластины могут измениться и напряжение между пластинами U, и заряд Q.

Рассмотрим теперь два характерных частных случая перемещения пластины конденсатора. В первом конденсатор отсоединен от источника напряжения и перемещение пластины происходит при неизменных зарядах на пластинах. Во втором перемещение пластины происходит при неизменном напряжении U между пластинами (конденсатор присоединен к источнику неизменного напряжения U).

Первый случай. Так как конденсатор отсоединен от источника энергии, то последний энергии не доставляет и потому dW^ - 0. При этом F ^-dW^ldx.

Таким образом, сила, действующая на пластину, равна взятой с обратным знаком производной от энергии электрического поля конденсатора по изменяющейся координате. Знак минус свидетельствует о том, что в рассматриваемом случае работа силы производится за счет убыли энергии в электрическом поле конденсатора.

Если учесть, что энергия электрического поля конденсатора W^=Q 2 !{2С) = = Q 2 х/(2 с а 5), то модуль силы F равен dW y Idx = Q 1 /(2 e t 5) = e, E 2 S/2.

Второй случай. Энергия, доставляемая источником питания при U - const на приращение заряда равна dV H =U dQ = U 2 dC. где dC - приращение емкости, вызванное уменьшением расстояния между пластинами на dx.

Изменение энергии электрического поля конденсатора dW,=d{CU 2 /2) = (/ 2 dCI2. Разность dW H -dW =U 2 dC-U 1 dC!2-dW ,. Поэтому во втором случае

Таким образом, и во втором случае сила равна производной от энергии электрического поля по изменяющейся координате.

Емкость C=e t 5/jr, поэтому

Сила, действующая на пластину конденсатора во втором случае, равна силе, действующей на пластину конденсатора в первом случае. На единицу поверхности конденсатора действует сила F!S-z b Е 2 12. Обратим внимание на то, что величина Е 2 12 не только выражает собой плотность энергии электрического поля, но и численно равна силе, действующей на единицу поверхности пластины конденсатора. Действующие на пластины конденсатора силы можно рассматривать как результат проявления сил продольного сжатия (вдоль силовых трубок) и сил бокового распора (поперек силовых трубок). Силы продольного сжатия стремятся укоротить силовую трубку, а силы бокового распора - расширить ее. На единицу боковой поверхности силовой трубки действует сила, численно равная е ш Е 2 12. Эти силы проявляются не только в виде сил, действующих на пластины конденсатора, но также в виде сил на границе раздела двух диэлектриков. В этом случае на границе раздела действует сила, направленная в сторону диэлектрика с меньшей диэлектрической проницаемостью.

Согласно азам физики, известно о наличии магнитного поля вокруг проводника или катушки с током. Данное поле в полной мере зависит от проводника, среды распространения поля и силы тока. Аналогично электрическому полю, магнитное поле является неким носителем энергии. Поскольку основным критерием, влияющим на энергию поля, является сила протекающего тока, то работа тока по созданию магнитного поля будет совпадать с энергией магнитного поля.

Энергия магнитного поля

Природу такого явления, как энергия магнитного поля, проще осознать, рассмотрев процессы, проходящие в цепи.

Элементы схемы:

1. L – катушка индуктивности;
2. Л – лампочка;
3. ε – источник постоянного тока;
4. К – ключ для замыкания и размыкания цепи.

При замкнутом ключе, согласно картинке (а), ток протекает от плюсовой клеммы источника тока по параллельным веткам через катушку индуктивности и лампочку. По катушке индуктивности протекает ток I0, а через лампочку протекает ток I1. В первый момент времени лампочка будет гореть более ярко, ввиду большого сопротивления катушки индуктивности. По мере уменьшения сопротивления катушки индуктивности и увеличения тока I0 лампочка будет гореть более тускло. Это объясняется тем, что в первый момент времени поступивший на катушку ток пропорционален току большой частоты, исходя из формулы индуктивного сопротивления катушки:

XL=2πfL, где:

• XL – индуктивное сопротивление катушки;
• f – частота тока;
• L – индуктивность катушки.

Индуктивное сопротивление катушки возрастает многократно. Катушка индуктивности в этот момент времени ведет себя как разрыв цепи. Со временем индуктивное сопротивление снижается до нуля. Поскольку активное сопротивление катушки индуктивности ничтожно мало, а сопротивление нихромовой нити лампочки велико, то практически весь ток цепи протекает через катушку.

После размыкания цепи ключом К, согласно картинке (б), лампочка не тухнет, а, наоборот, загорается более ярким светом и постепенно гаснет. Для осуществления горения лампочки необходима энергия. Энергия эта берется из магнитного поля катушки индуктивности и называется энергией магнитного поля. Благодаря этому катушка индуктивности выступает как источник энергии (самоиндукции), согласно картинке (в).

Определить активность магнитного поля возможно, рассмотрев электрическую схему.

Для расчета энергии магнитного поля есть необходимость в создании такой схемы, в которой энергия источника питания расходовалась бы непосредственно на образование магнитного поля. Соответственно, в схеме выше значениями внутреннего сопротивления источника питания и катушки индуктивности нужно пренебречь.

Обратите внимание! Из второго закона Кирхгофа следует, что сумма напряжений, подключенных к цепи, равна сумме падений напряжений на каждом из элементов цепи.

Общее напряжение цепи равно:

ε+εі=Ir+IR, где:

• ε – электродвижущая сила (напряжение) источника питания;
• εi – электродвижущая сила (напряжение) индукции;
• I – сила тока цепи;
• r – внутреннее сопротивление источника питания;
• R – внутреннее сопротивление катушки индуктивности.

Поскольку рассмотренная цепь идеальная, и внутренние сопротивления равны нулю, то формула преобразовывается в такую:

Электродвижущая сила самоиндукции зависит от индуктивности катушки и скорости изменения тока в цепи, а именно:

подставив значение в общую формулу, получается:

• ε-LΔI/Δt=0,
• ε= LΔI/Δt,
• ΔI= ε Δt /L.

Исходя из данной закономерности, с течением времени сила тока равняется:

Заряд, пройденный через катушку индуктивности, равен:

Объединив обе формулы, получаем:

Работа источника тока по переносу заряда по катушке индуктивности равняется:

A= εq=εLI2/2ε=LI2/2.

Поскольку рассматриваемая цепь является идеальной, а именно отсутствует какое-либо сопротивление, то затраченная работа источника тока пошла на формирование магнитного поля и соответствует энергии магнитного поля:

С целью исключения зависимости активности магнитного поля от характеристики катушки, необходимо преобразовать выражение через характеристику поля, а именно через вектор магнитной индукции:

1. B=µ0µIn, где:

• B – вектор магнитной индукции соленоида;
• µ0 – магнитная постоянная (µ0=4π×10-7 Гн/м)
• µ – магнитная проницаемость вещества;
• I – сила тока в цепи соленоида;
• n – плотность намотки, (n=N/l, где N – число витков, l – отрезок длины соленоида).

1. L=µ0µn2V, где:

V – объем катушки (или объем магнитного поля, сосредоточенного в катушке) (V=Sl, S – площадь поперечного сечения соленоида, l – длина соленоида).

Если воспользоваться формулами (1 и 2), выражение, определяющее энергию магнитного поля, выглядит как:

Wмаг=B2V/2µ0µ.

Рассмотренная формула справедлива при условии, что фон однотипный. Если поле неоднородное, то необходимо рассматривать параметр, характеризующий концентрацию активности в этой зоне. Эта величина именуется как объемная плотность энергии магнитного поля.

Объемная плотность магнитной энергии

Она определяется по выражению:

ωмаг=Wмаг/V, где:

• ωмаг – объемная плотность энергии магнитного поля;
• V – объем некой зоны, где создано магнитное поле.

Единицей измерения объемной плотности энергии магнитного поля является отношение – Дж/м3.

Подставив в искомое выражение значение энергии поля W маг, получаем окончательную формулировку, определяющую объемную плотность:

ωмаг= B2/2µ0µ.

Изложенная информация подробно раскрывает порядок нахождения такого параметра поля, как энергия магнитного поля. Поскольку указанная величина применима для однородного поля, то для проведения вычислений в неоднородном магнитном поле используется величина, определяющая концентрацию или плотность энергии поля.

Видео

Лекция 8. Энергия электрического поля

Понятие энергии электрического поля неразрывно связано с понятиями её накопления и расходования. Отсюда следует, что должны быть рассмотрены и накопители этой энергии – электрические конденсаторы. Существенно при этом понимание школьниками, насколько большая энергия может быть сосредоточена в сравнительно небольшом объёме современного конденсатора. Особую значимость имеют эксперименты, показывающие, в каких процессах эта энергия может быть использована для практических нужд.

Изучение электрической ёмкости и конденсаторов позволяет сопоставить примитивные, но принципиально важные методы электростатики с возможностями современных электроизмерительных приборов. К ним, в частности, относятся широко распространённые в быту цифровые мультиметры, позволяющие измерять ёмкости от единиц пикофарад. Поэтому можно сначала оценивать ёмкость и диэлектрическую проницаемостьметодами электростатики, а затем более точно измерять эти величины с помощью мультиметра.

Интересной методической проблемой является обоснование целесообразности введения понятия электроёмкости уединённого проводника и разработка оптимальной методики формирования этого понятия.

Сформировать понятие энергии электрического поля в полном объёме на уроках физики вряд ли удастся. Поэтому в классах профильного обучения необходимы внеурочные исследования учащихся.

8.1. Электроёмкость уединённого проводника

Выполняя исследования, учащиеся, конечно, заметили, что проводники могут накапливать и сохранять электрические заряды. Это свойство проводников характеризуется электрической ёмкостью. Выясним, как зависит потенциал уединённого проводника от его заряда. Потенциал можно измерять относительно бесконечно удалённой точки. На практике удобнее измерять потенциалы заряженных тел относительно земли.

На стержень электрометра наденем полый проводящий шар, и корпус электрометра соединим с заземлением. Электрометр будем использовать в качестве электростатического вольт-метра, измеряющего потенциал шара относительно земли или, что то же самое, разность потенциалов между шаром и землёй.

Пробным шариком, прикоснувшись к кондуктору источника электричества, перенесём внутрь шара некоторый заряд q . Стрелка электростатического вольтметра отклонится, показывая определённый потенциал . Повторим опыт, сообщая полому шару заряды 2q , 3q ... Обнаруживаем, что стрелка вольтметра отклоняется, показывая значения 2, 3...

Таким образом, отношение заряда Q проводящего тела к его потенциалу остаётся постоянным и характеризует электроёмкость проводника:

Заменим полый шар электрометра другим, например, меньшего размера, и повторим опыт. Наблюдаем, что при сообщении ему тех же зарядов q , 2q , 3q , ... вольтметр показывает значения, растущие пропорционально заряду, но бльшие, чем в предыдущей серии опытов. Значит, ёмкость C = Q / этого шара меньше.

В системе СИ электрическая ёмкость выражается в фарадах : 1 Ф = 1 Кл/1 В.

8.2. Электроёмкость сферического проводника

Пусть в среде с диэлектрической проницаемостью находится сферический проводник радиусом R . Если потенциал в бесконечности считать равным нулю, то потенциал заряженной сферы

Тогда электрическая ёмкость сферы радиусом R есть Таким образом, ёмкость уединённого проводящего шара пропорциональна его радиусу.

Простые опыты показывают, что тела, несущие электрический заряд, можно считать уединёнными в том случае, если окружающие тела не вызывают значительного перераспределения заряда на них.

8.3. Конденсатор

Изготовим конденсатор из двух одинаковых проводящих пластин, расположенных параллельно, и соединим его с электрометром, выполняющим функцию вольтметра. На стержень электрометра насадим полую проводящую сферу. Зарядим одну из пластин пробным шариком, перенеся им заряд q с наэлектризованной эбонитовой палочки или иного источника электричества. При этом вольтметр покажет некоторое напряжение U между пластинами.

Будем переносить внутрь полой сферы, а значит, и на пластину конденсатора равные заряды. При этом увидим, что показания вольтметра увеличиваются на равные значения. Значит, система двух проводящих пластин обладает ёмкостью

и может выполнять функцию конденсатора – накопителя электрического заряда. Подчеркнём, что здесь q – заряд одной из пластин конденсатора.

8.4. Ёмкость плоского конденсатора

Вычислим теоретически электрическую ёмкость плоского конденсатора. Напряжён ность поля, создаваемого одной из его пластин где – поверхностная плотность заряда на пластине. Согласно принципу суперпозиции напряжённость электрического поля между пластинами конденсатора в два раза больше (см. исследование 5.7):

Так как поле однородное, то разность потенциалов между пластинами, расположенными на расстоянии d друг от друга, равна Отсюда ёмкость плоского конденсатора есть :

Подтвердим теорию экспериментом. Для этого соберём плоский конденсатор, зарядим его и соединим пластины с электростатическим вольтметром. Оставив заряд конденсатора неизменным, будем менять остальные его параметры, наблюдая за вольтметром, показания которого обратно пропорциональны ёмкости конденсатора:

Увеличение расстояния d между пластинами конденсатора ведёт к пропорциональному увеличению напряжения между ними, значит, ёмкость конденсатора С ~ 1/d . Смещая пластины друг относительно друга так, чтобы они оставались параллельными, будем увеличивать площадь перекрытия пластин S . При этом в той же степени уменьшается напряжение между ними, т.е. растёт ёмкость конденсатора: С ~ S . Заполним промежуток между пластинами диэлектриком с диэлектрической проницаемостью и увидим, что показания вольтметра уменьшатся в раз, т.е. С ~ .

Так как заряд системы оставался неизменным, то можно сделать вывод, что ёмкость конденсатора прямо пропорциональна площади перекрытия пластин, обратно пропорциональна расстоянию между ними и зависит от свойств среды, т.е. С ~ S /d , что и подтверждает формулу (8.2). Значение электрической постоянной 0 получаем, измерив в опытах U , q , d , S , и вычислив ёмкость один раз по формуле (8.1), а другой – по формуле (8.2).

8.5. Параллельное соединение конденсаторов

При параллельном соединении двух конденсаторов ёмкостями С 1 и С 2 напряжения на них одинаковы и равны U , а заряды q 1 и q 2 различны. Понятно, что общий заряд батареи равен сумме зарядов конденсаторов q = q 1 + q 2 , а её ёмкость:

(8.3)

8.6. Последовательное соединение конденсаторов

К батарее из двух последовательно соединённых конденсаторов подключим электростатический вольтметр с полой сферой. Сообщим соединённой с вольтметром обкладке первого конденсатора заряд +q . По индукции вторая обкладка этого конденсатора приобретёт заряд –q , а соединённая с ней проводником обкладка второго конденсатора – заряд +q . В результате оба конденсатора будут нести одинаковый заряд q . При этом напряжения на конденсаторах различны. Понятно, что сумма напряжений на каждом из конденсаторов равна общему напряжению батареи:

Но U = q /С , U 1 = q /С 1 , U 2 = q /С 2 , поэтому ёмкость батареи определяется формулой

8.7. Энергия плоского конденсатора

Сообщим одной из пластин плоского конденсатора заряд q такой величины, чтобы разность потенциалов между пластинами стала равна U . Если расстояние между пластинами d , то напряжённость электрического поля в конденсаторе Е = U /d .

Одна из пластин конденсатора с зарядом q находится в созданном второй пластиной однородном электрическом поле напряжённостью Е /2, поэтому на неё действует сила притяжения ко второй пластине f = qE /2. Потенциальная энергия заряда q в этом поле равна работе, которую совершает электрическое поле при сближении пластин конденсатора вплотную:

Подставляя в это равенство значение Ed = U и пользуясь формулой (8.1), получаем, что энергия электрического поля между пластинами конденсатора:

(8.5)

8.8. Энергия произвольного конденсатора

Полученная формула справедлива не только для плоского, но и вообще для любого конденсатора. Действительно, напряжение на конденсаторе данной ёмкости прямо пропорционально его заряду U = q/C. Если заряд изменился на малую величину q , то электрическое поле совершило работу А = U q . Полная работа поля, очевидно, равна площади под графиком:

Ситуация не изменится, если вместо конденсатора использовать уединённый проводник. Его потенциал (относительно бесконечности) равен = q/С , поэтому энергия электрического поля

8.9. Экспериментальное определение энергии, запасённой конденсатором

Энергию конденсатора будем измерять по тепловому действию. В пробирке расположим тонкую металлическую спираль. Пробирку закроем пробкой с капиллярной трубкой, внутри которой находится капля воды. Мы получили газовый термометр – прибор, в котором смещение капли в трубке пропорционально количеству теплоты, выделившемуся в пробирке. К спирали через разрядный промежуток из двух металлических шариков подключим конденсатор, параллельно которому подсоединим электрометр с полым шаром. Для заряда конденсатора будем использовать любой источник электричества и металлический шарик на изолирующей ручке.

Зарядим конденсатор до некоторого напряжения и, сблизив шарики, разрядим его через спираль. При этом капля в трубке переместится на определённое расстояние. Так как разряд происходит быстро, то процесс нагревания воздуха в пробирке можно считать адиабатическим, т.е. происходящим без теплообмена с окружающей средой.

Подождём, пока воздух в пробирке охладится, а капля вернётся в исходное положение. Увеличим напряжение в два, а затем в три раза. После разрядов капля переместится на расстояние, соответственно в четыре и девять раз превышающее первоначальное. Заменим конденсатор на другой, ёмкость которого в два раза больше, и зарядим его до исходного напряжения. Тогда при разряде капля переместится в два раза дальше.

Таким образом, опыт подтверждает справедливость формулы (8.5) W = СU 2 /2, согласно которой энергия, запасённая в конденсаторе, пропорциональна его ёмкости и квадрату напряжения.

8.10. Плотность энергии электрического поля

Выразим энергию электрического поля между обкладками конденсатора такой формулой, чтобы в ней не было величин, характеризующих сам конденсатор, и остались бы только величины, характеризующие поле. Понятно, что этого можно достичь только одним способом: вычислить энергию поля, приходящуюся на единицу объёма. Так как напряжение на конденсаторе U = Ed , а его ёмкость то подстановка этих выражений в формулу (8.5) даёт:

Величина Sd представляет собой объём V электрического поля в конденсаторе. Поэтому плотность энергии электрического поля пропорциональна квадрату его напряжённости.

Исследование 8.1. Измерение ёмкости плоского конденсатора с помощью мультиметра

Информация. В последние годы стали доступны цифровые мультиметры самых различных типов. Эти приборы в принципе позволяют измерять напряжение, силу тока, сопротивление, температуру, ёмкость, индуктивность, определять параметры транзисторов. Перечень измеряемых мультиметром величин определяется типом мультиметра. Нас сейчас интересуют мультиметры, допускающие измерение ёмкости; к ним относятся, например, приборы типов М890G и DТ9208А. Для определённости в дальнейшем мы будем иметь в виду последний прибор.

Проблема. Как экспериментально подтвердить справедливость теоретически полученной формулы для ёмкости конденсатора?

Задание. Разработайте демонстрационный эксперимент, позволяющий на уроке подтвердить справедливость формулы (8.2) для ёмкости плоского конденсатора с воздушным диэлектриком.

Вариант выполнения.

Соберите плоский конденсатор из круглых пластин, входящих в комплект приборов по электростатике, и подключите к нему мультиметр. Линейкой измерьте диаметр пластин и расстояние между ними. По формуле (8.2) вычислите ёмкость конденсатора и сравните получившееся значение с измеренным. В демонстрационном опыте могут получиться, например, следующие результаты: диаметр пластин конденсатора D = 0,23 м, расстояние между пластинами d = 0,01 м, вычисленная по формуле ёмкость: мультиметр показывает такое же значение.

Изменяйте расстояние между пластинами, площадь перекрытия пластин конденсатора и вводите между ними различные диэлектрики. При этом соответствующим образом изменяются измеренные мультиметром значения ёмкости конденсатора. Вместе с учащимися проанализируйте результаты опыта и сделайте вывод относительно справедливости формулы (8.2).

Исследование 8.2. Определение диэлектрической проницаемости методом измерения ёмкости

Задание. Используя цифровой мультиметр, определите диэлектрические проницаемости различных веществ.

Вариант выполнения. Соберите плоский конденсатор с воздушным диэлектриком, измерьте расстояние d между обкладками и ёмкость С 0 конденсатора. Измерьте толщину l плоскопараллельной пластины диэлектрика, аккуратно введите диэлектрик между обкладками и мультиметром измерьте ёмкость С . По формуле вычислите диэлектрическую проницаемость вещества. Подскажите учащимся, как выводится эта формула. Измерьте диэлектрические проницаемости стекла, оргстекла, винипласта, текстолита, полиэтилена и т.д. Сравните получившиеся значения с табличными.

Исследование 8.3. Параллельное и последовательное соединения конденсаторов

Задание. Используя цифровой мультиметр, подтвердите справедливость формул (8.3) и (8.4) для ёмкости параллельно и последовательно соединённых конденсаторов.

Вариант выполнения .

Подберите радиотехнические конденсаторы ёмкостью от десятков пикофарад до десятков нанофарад и с помощью мультиметра определите их ёмкости. Обратите внимание на то, что измеренные значения, как правило, не совпадают с обозначенными на корпусах конденсаторов. Это объясняется тем, что допустимая погрешность ёмкости радиотехнических конденсаторов достигает 20%. Конденсаторы соедините параллельно, измерьте результирующую ёмкость и убедитесь, что она равна сумме ёмкостей каждого из конденсаторов. Затем соедините конденсаторы последовательно и убедитесь, что величина, обратная результирующей ёмкости, равна сумме величин, обратных ёмкостям соединённых конденсаторов.

Учащимся можно предложить количественные задачи по вычислению ёмкости различных батарей конденсаторов с последующей проверкой решения в реальном эксперименте.

Исследование 8.4. Работа электрического поля

Задание . При поднесении заряженного тела к лежащим на поверхности лёгким шарикам они начинают подпрыгивать. Используя это явление, экспериментально покажите, что работа электрического поля по перемещению заряда пропорциональна разности потенциалов, которую прошёл этот заряд: А = qU.

Вариант выполнения .

Возле дна пластиковой бутылки горизонтально закрепите неподвижный плоский электрод, а над ним параллельно – подвижный электрод. К стенке бутылки приклейте шкалу с миллиметровыми делениями. Между электродами поместите пенопластовый шарик, обёрнутый тонкой алюминиевой фольгой. Электроды подключите к высоковольтному источнику. При подаче напряжения на электроды шарик начнёт подпрыгивать. Увеличивая напряжение, добейтесь того, чтобы шарик подпрыгивал на высоту h , равную расстоянию d между электродами. В этом случае работа электрического поля по перемещению заряженного шарика А = qU = mgh . Увеличьте напряжение в два раза и убедитесь, что высота h также возрастёт в два раза. Сделайте вывод из опыта.

Заметьте, что разность потенциалов выражается через напряжённость электрического поля формулой U = Ed . Так как, по условиям опыта, h = d , то на оторвавшийся от нижнего электрода шарик со стороны электрического поля действует постоянная по модулю сила F = Eq = mg .

Исследование 8.5. Электростатический двигатель

Задание. Используйте явление электрического ветра (см. исследование 7.7) для построения действующей модели электростатического двигателя.

Вариант выполнения. Первым изготовил электростатический двигатель один из основоположников учения об электричестве, выдающийся американский учёный Б.Франклин. Так называемое колесо Франклина имеется в любом кабинете физики (фото вверху).

Дома школьники могут изготовить простейшую модель такого двигателя, если на один из электродов пьезоэлектрического источника наденут вырезанную из алюминиевой фольги фигуру в форме сегнерова колеса (фото внизу). Периодически нажимая на рычаг источника, они смогут привести получившееся колесо Франклина в непрерывное вращение.

На фотографии гораздо более мощный электростатический двигатель, который способен вращать даже крыльчатку вентилятора. Прибор собран на пластиковой бутылке.

Исследование 8.6. Энергия заряженного конденсатора

Задание. Учащиеся надолго запомнят свойство конденсатора накапливать электрическую энергию, если прямо на их глазах собрать конденсатор и продемонстрировать его в работе. Предложите простой способ изготовления такого конденсатора, который способен поразить воображение школьников.

Вариант выполнения. Приготовьте две дюралевые пластины размером, например, 15 15 см. Из толстой полиэтиленовой плёнки вырежьте прямоугольник размером примерно 20 20 см и, проложив его между пластинами, соберите конденсатор. Включите высоковольтный источник, установите напряжение 10 кВ и, сблизив электроды источника, покажите проскакивающую между ними искру. Затем от того же источника при том же напряжении зарядите собранный на демонстрационном столе конденсатор. Разрядите конденсатор и покажите, что получается гораздо более мощная искра, чем при разряде между электродами источника. Обратите внимание на необходимость соблюдения правил техники безопасности при работе с конденсаторами.

Исследование 8.7. Батарея гальванических элементов

Проблема. Учащимся хорошо знакомы отдельные элементы и батареи гальванических элементов, которые широко используются в быту. Школьники знают, что эти приборы характеризуются напряжением и способны давать электрический ток. Однако напряжение указанных источников не превышает нескольких вольт, а в электростатике используются напряжения в тысячи и десятки тысяч вольт. Поэтому заряды на электродах гальванических источников практически никак себя не проявляют. Как экспериментально доказать, что на выводах батарей гальванических элементов действительно имеются электрические заряды, физическая природа которых такая же, как тех, которые обнаруживаются в опытах электростатики?

Задание. Поставьте эксперимент, позволяющий обнаружить заряды на выводах батареи гальванических элементов и определить их знак.

Вариант выполнения .

В комплект к электрометрам входит дисковый конденсатор, представляющий собой два металлических диска диаметром 100 мм, рабочие поверхности которых покрыты тонким слоем лака. Один из дисков имеет крепление для насадки на стержень электрометра, второй снабжён изолирующей ручкой.

Используя указанное оборудование и ориентируясь по фотографии, выполните задание.

Исследование 8.8. Оценка энергии заряженного конденсатора

Информация. Выполняя исследование 2.7, вы убедились, что энергию электрического поля можно оценить по вспышке лампы накаливания, происходящей при разряде создающих поле заряженных тел. Действительно, при разряде потенциальная энергия неподвижных зарядов переходит в кинетическую энергию движущихся зарядов, заряды нейтрализуются, и поле исчезает. Движение свободных зарядов по проводнику вызывает его нагревание.

Задание. Приготовьте две батарейки по 4,5 В, два электролитических конденсатора ёмкостью по 1000 мкФ, рассчитанных на рабочее напряжение не ниже 12 В, и четыре лампочки для карманного фонаря на напряжение 1 В. Докажите, что энергия заряженного конденсатора пропорциональна его ёмкости и квадрату напряжения.

Вопросы для самоконтроля

1. Какова методика введения и формирования понятия электрической ёмкости проводника и системы проводников?

2. Как в демонстрационном эксперименте можно обосновать справедливость формулы для ёмкости плоского конденсатора?

3. Насколько целесообразна демонстрация непосредственно на уроке сущности метода определения диэлектрической проницаемости вещества?

4. Предложите методику введения и формирования понятия плотности энергии электрического поля.

5. Разработайте серию исследовательских заданий учащимся по экспериментальному обоснованию построения электростатических двигателей.

6. Перечислите наиболее яркие опыты, демонстрирующие накопление электрической энергии конденсаторами.

7. Как доказать, что используемые в быту батареи гальванических элементов принципиально ничем не отличаются от электростатических источников электричества?

8. Какими экспериментами можно подтвердить, что энергия, запасённая в конденсаторе, пропорциональна его ёмкости и квадрату напряжения?

Литература

Бутиков Е.И. , Кондратьев А.С. Физика: Учеб. пособие: В 3 кн. Кн. 2. Электродинамика. Оптика. – М.: Физматлит, 2004.

Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах средней школы. Т. 2. Электричество. Оптика. Физика атома: Под ред. А.А.Покровского. – М.: Просвещение, 1972.

Майер В.В. , Майер Р.В. Электричество. Учебные исследования: Библиотека учителя и школьника. – М.: ФМЛ, 2007.

Шилов В.Ф. О первоочередных мерах по материально-техническому обновлению кабинета физики. – Учебная физика, 2000, № 4.

В случае действительных величин объёмная плотность энергии электромагнитного поля определяется выражением:

Если рассматривать векторы и как векторы с комплексными составляющими, то для получения действительного выражения для объёмной плотности энергии электромагнитного поля необходимо воспользоваться описанным выше приёмом:

Выражение (8) определяет «мгновенное» значение объёмной плотности электромагнитной энергии в рассматриваемой точке пространства, т.е. значение в некоторый момент времени t . Зависимость (8) представляет собой практически сумму квадратов действительных величин и поэтому является положительно определенной зависимостью. Её численные значения могут изменяться от нуля до некоторой максимальной величины. Представляет интерес вычисление средней по времени величины объёмной плотности энергии электромагнитного поля плоской волны. Средняя по времени физическая величина определяется по правилу:

. (9)

Для гармонических во времени процессов величину выбирают равной периоду колебаний , а начало отсчёта выбирают равным нулю.

Легко видеть, что имеют место соотношения:

;

; (10)

.

Аналогичные результаты справедливы и для векторов напряжённости магнитного поля.

С учётом полученных результатов средняя по времени величина объёмной плотности энергии электромагнитного поля в рассматриваемой точке пространства может быть описана зависимостью

Выражение (11) является локальным, действительным и положительно определённым. С его помощью можно вычислить энергию электромагнитного поля в некоторой области пространства:

, (12)

где энергия электрического поля и энергия магнитного поля определены соотношениями

, . (13)

Интегрирование в соотношениях (13) проводится по объёму рассматриваемой области пространства. Эти выражения ниже будут использованы при анализе балансовых энергетических соотношений.

Вектор Умова-Пойнтинга .

Плотность потока энергии электромагнитного поля, как известно, определяется выражением

При необходимости использовать результаты метода комплексных амплитуд действительное (вещественное) выражение для вектора записывают в виде:

Оценивая векторные произведения в соотношении (15), получаем:

;

.

.

В результате осреднения по времени зависимости (15) для мгновенного значения вектора плотности потока энергии приходим к соотношению:

. (16)

Таким образом, получают постоянную во времени векторную величину с вещественными компонентами. Интересно, что – формально - полученное выражение является действительной частью комплексного выражения

Это порождает возможность ввести в рассмотрение «комплексный вектор Умова-Пойнтинга»:

. (18)

Обоснованием целесообразности такого приёма служит соотношение:

Физическое содержание соотношения (19) заключается в том, что среднее по времени от вектора плотности потока энергии электромагнитного поля в гармоническом приближении (вещественная постоянная векторная величина!) может быть вычислено как действительная часть комплексного вектора Умова-Пойнтинга.

Объёмная плотность мощности .

Для действительных величин объёмная плотность мощности вычисляется по выражению

Выражение (20) – произведение двух гармонических величин - является нелинейным, поэтому для получения действительной величины в методе комплексных амплитуд требуется исходить из соотношения:

Зависимость (21) определяет действительное (вещественное) значение объёмной плотности мощности в произвольный момент времени. Поскольку рассматриваемая величина осциллирует во времени, можно ввести осреднённую по времени величину объёмной плотности мощности аналогично тому, как это было сделано выше при рассмотрении объёмной плотности энергии:

Анализ выражения (22) показывает, что можно ввести комплексную плотность мощности

поскольку легко проверяется соотношение

. (24)

Теперь можно приступить к рассмотрению балансовых энергетических соотношений в неоднородной плоской электромагнитной гармонической волне.

Комплексный аналог теоремы Пойнтинга .

Уравнения Максвелла – уравнение электромагнитной индукции и уравнение полного тока в дифференциальной форме – запишем с использованием гармонического приближения:

Заметим, что уравнения (25)-(26) справедливы, если форма зависимости гармонических величин от времени определена соотношениями (6).

Если , то имеет место , поскольку из первого уравнения следует и . Другими словами говоря, если справедливо линейное уравнение для комплексной величины, то справедливо и комплексно сопряжённое уравнение. Воспользуемся этим математическим утверждением и запишем уравнение (26) в комплексно сопряжённой форме:

Умножим уравнение (25) скалярно на вектор , а уравнение (27) – на вектор :

Вычтем из уравнения (28) уравнение (29):

Левая часть уравнения (30) может быть преобразована:

В принципе, здесь использовано известное векторное тождество, его можно проверить непосредственным вычислением в декартовой системе координат, а можно воспользоваться символическим методом и определением дифференциального векторного оператора «набла» (или оператора Гамильтона) . Продемонстрируем этот метод. Рассмотрим дивергенцию векторного произведения двух векторных полей:

.

Для того чтобы можно было пользоваться обозначением как просто векторной величиной, перепишем предыдущее соотношение с учётом дифференциального характера оператора набла:

где индексом «с» помечены условно постоянные величины, их можно «выносить» за символ дифференциального оператора . Теперь полученное выражение можно рассматривать просто как сумму двух смешанных произведений трёх векторов. Известно, что смешанное произведение трёх векторов может быть записано в нескольких эквивалентных формах. Нам необходимо выбрать такую форму, чтобы «вектор » не оставался в крайней правой позиции: как дифференциальный оператор он должен на что-нибудь действовать.

Рассмотрим процесс зарядки уединенного проводника. Чтобы его заряд достиг величины Q , будем сообщать проводнику заряд порциями dq , перенося их из бесконечно удаленной точки 1 на поверхность проводника в точку 2 (рис. 3.14). Для передачи проводнику новой порции заряда
внешние силы должны совершить работу против сил электрическогополя: . Поскольку проводник уединенный (точка1 бесконечно далека от проводника), то
. Потенциал точки2 равен потенциалу проводника . Поэтому
. Если проводнику передан зарядq , то его потенциал
. Полная работа внешних сил по зарядке проводника до значения зарядаQ будет равна

.

Согласно закону сохранения энергии, работа внешних сил по зарядке проводника увеличивает энергию создаваемого электростатического поля, т.е. проводник запасает определенную энергию:

. (3.13)

Рассмотрим процесс зарядки конденсатора от источника ЭДС. Источник в процессе зарядки переносит заряды с одной пластины на другую, причем сторонние силы источника совершают работу по увеличению энергии конденсатора:

,

где Q – заряд конденсатора после зарядки. Тогда энергия электрического поля, созданного конденсатором, определится как

. (3.14)

Выражение (3.14) позволяет записать величину энергии электростатического поля двумя способами:

и
.

Сопоставление двух соотношений позволяет задать вопрос: что является носителем электрической энергии? Заряды (первая формула) или поле (вторая формула)? Оба записанных равенства прекрасно согласуются с результатами экспериментов, т.е. расчет энергии поля можно одинаково правильно вести по обеим формулам. Однако такое наблюдается только в электростатике, т.е. когда осуществляется расчет энергии поля неподвижных зарядов. При рассмотрении теории электромагнитного поля в дальнейшем (гл. 8) мы увидим, что электрическое поле может создаваться не только неподвижными зарядами. Электростатическое поле – это частный случай электромагнитного поля, существующего в пространстве в виде электромагнитной волны. Его энергия распределена в пространстве с определенной плотностью. Введем понятие объемной плотности энергии поля следующим образом.

Преобразуем последнее равенство (3.14) для случая плоского конденсатора, воспользовавшись связью разности потенциалов и напряженности однородного поля:

где
– объем конденсатора, т.е. объем части пространства, в котором создано электрическое поле.

Объемной плотностью энергии поля называется отношение энергии поля, заключенного в малом объеме пространства к этому объему:

. (3.15)

Следовательно, энергию однородного электрического поля можно рассчитать так:
.

Сделанный вывод можно распространить на случай неоднородного поля таким образом:

, (3.16)

где
– такой элементарный объем пространства, в пределах которого поле можно считать однородным.

Для примера рассчитаем энергию электрического поля, созданного уединенным металлическим шаром радиусом R , заряженным зарядом Q , и находящимся в среде с относительной диэлектрической проницаемостью . Повторив рассуждения примера из п.2.5, получим модуль напряженности поля в виде функции
:

Тогда выражение для объемной плотности энергии поля примет вид:

Аналогичный результат мы бы получили, если бы вычисляли энергию заряженного шара по формуле (3.13), воспользовавшись (3.6):

.

Однако следует помнить, что такой способ неприменим, если необходимо найти энергию электрического поля, заключенную не во всем объеме поля, а лишь в его части. Также метод расчета по формуле (3.13) нельзя использовать при определении энергии поля системы, для которой неприменимо понятие “емкость”.