Энергия, плоскость энергии электрического поля

Энергия заряженного конденсатора равна работе внешних сил, которую необходимо затратить, чтобы зарядить конденсатор. Процесс зарядки конденсатора можно представить как последовательный перенос достаточно малых порций заряда ΔQ > 0 с одной обкладки на другую (рис. 4.7.1). При этом одна обкладка постепенно заряжается положительным зарядом, а другая – отрицательным. Поскольку каждая порция переносится в условиях, когда на обкладках уже имеется некоторый заряд Q, а между ними существует некоторая разность потенциалов U = Q/C при переносе каждой порции ΔQ внешние силы должны совершить работу ΔA = ΔQU = QΔQ/C. Тогда полная работа зарядки конденсатора и энергия заряженного до заряда Q конденсатора равна: A = W = Q²/2C

1

Рисунок 4.7.1. Процесс зарядки конденсатора.

Формулу, выражающую энергию заряженного конденсатора, можно переписать в другой эквивалентной форме, если воспользоваться соотношением Q = CU.

W = Q²/2C = CU²/2 = QU/2 (23)

По современным представлениям, электрическая энергия конденсатора локализована в пространстве между обкладками конденсатора, то есть в электрическом поле. Поэтому ее называют энергией электрического поля. Это легко проиллюстрировать на примере заряженного плоского конденсатора. Напряженность однородного поля в плоском конденсаторе равна E = U/d, а его емкость C = ε₀εS/d. Поэтому

W = cU²/2 = ε₀εSE²d²/2d = ε₀εE²V/2 (24)

где V = Sd – объем пространства между обкладками, занятый электрическим полем. Из этого соотношения следует, что физическая величина

w = ε₀εE²/2 (25)

является электрической (потенциальной) энергией единицы объема пространства, в котором создано электрическое поле. Ее называют объемной плотностью электрической энергии.

Поиск по сайту: