Енергія електричного поля: експерименти і формули

Коли розглядається енергія електричного поля, слід вивчати її накопичення і витрачання. Накопичувачами енергії є ЕЛЕКТРОКОНДЕНСАТОР. При невеликих габаритах таке пристрій здатний зосереджувати в собі велику кількість енергії.

При вивченні конденсаторів стає легше розуміти електростатичні закони і можливості сучасних приладів. Такими є, наприклад, відомі цифрові мультімери, за допомогою яких проводять вимірювання в пікофарад. Спочатку параметри слід оцінювати, використовуючи електростатичні методи, а після цього - з застосуванням мультимера.

енергія електричного поля

Електрична ємність подовженого провідника

Вивчення цього пристрою дає краще розуміння в питанні, що таке енергія електричного поля. Провідники здатні накопичувати і зберігати заряди. Це властивість називається електричної ємністю.

Для розуміння залежності потенціалу подовженого провідника від заряду необхідно виміряти потенціали зарядженого тіла. Зручно це зробити щодо землі.

Електрометр з порожнистим проводять кулею і заземленим корпусом використовують у вигляді електростатичного вольтметра і вимірюють потенціал тіла щодо землі.

Кулькою-пробником стосуються електричного джерела, переносячи таким чином всередину нього заряд. При цьому вольтметр покаже наявність певного потенціалу.

Повторюючи досвід можна прийти до висновку, що відношення заряду до потенціалу постійно.

Помінявши порожниста куля на інший і виконавши ті ж досліди, якщо вольтметр покаже великі значення в порівнянні з попередніми, можна сделпть висновок про меншої ємності другого кульки.

У міжнародній системі СІ одиниця вимірювання електричної ємності - фарад.

щільність енергії електричного поля

Досвід зі сферичним провідником

Якщо в середовищі з діелектричної проникністю взяти сферичний провідник, де потенціал в нескінченності дорівнює нулю, то потенціал в сфері з зарядом буде дорівнює Q / 4П R, а електрична ємність C = 4П R,

Виходить, що електрична ємність подовженого кулі пропорційна його радіусу.

З дослідів випливає, що тіла вважаються подовженими в разі, якщо навколишні тіла не викликають істотного перерозподілу заряду в них.

конденсатор

З двох однакових паралельних пластин роблять конденсатор і під`єднують до нього електрометрії, який буде працювати в вигляді вольтметра. До його стрижня підводять провідну сферу. Пластину заряджають, переносячи заряд з ебонітовою палички. Тоді вольтметр покаже наявність напруги, що виникла між пластинами.

потенційна енергія електричного поля

Перенісши рівні заряди всередину порожнистої сфери, збільшимо показання приладу. Тому ємність у пластин буде наступною: C = q / U, здатної працювати в ролі конденсатора, що накопичує заряд електрики (де q - це заряд однієї з пластин).

Ємність плоского конденсатора

Ємність плоского конденсатор C = epsilon- epsilon- / d, де d - відстань між пластинами.

Формула може бути підтверджена експериментом. Збирається плоский конденсатор, заряджається і з`єднуються пластини з вольтметром. Не зраджуючи заряд, змінюють інші показники, спостерігаючи в цей час за приладом. Показання будуть обернено пропорційні ємності: U = q / C-1 / C.

Роблячи відстань між пластинами більше, будемо спостерігати збільшення напруги. Зміщуючи пластини паралельно і збільшуючи площу, отримаємо скорочення напруги, а ємність при цьому збільшиться. Якщо в проміжок між пластинами помістити діелектрик, то показання вольтметра скоротяться.

Так як в ході експерименту значення заряду не змінювали, виходить, що ємність конденсатора прямо пропорційна перекриттю пластин і обернено пропорційна d.

енергія електричного поля

Паралельне і послідовне з`єднання конденсаторів

При паралельному з`єднанні ємності приладів і їх напруги мають однакові значення, а заряди - різний. Загальний заряд дорівнює їх сумі окремо.

При послідовному з`єднанні підключають вольтметр, має порожнисту сферу. Для однієї обкладки першого конденсатора дається позитивний заряд, тоді інша обкладка придбає негативний, а при з`єднанні з провідником другого приладу - позитивний. Тоді обидва конденсатора отримають ідентичні заряди, а напруги у них будуть мати різні значення.

В результаті ємність тут буде визначена за формулою: 1 / C = 1 / C1 + 1 / C2

Енергія плоского і довільного конденсатора

На пластину подають заряд, який має значення, при якому різниця потенціалів між пластинами стала рівною U. Тоді напруженість буде дорівнює E = U / d, де d - відстань між об`єктами.

щільність енергії електричного поля

Одна з пластин знаходиться в електричному полі інший, де напруженість E / 2. тоді сила тяжіння до іншої пластині буде f = qE / 2. Потенціальна енергія електричного поля заряду дорівнює роботі цього поля при зближенні пластин.

Підставивши ряд значень, отримаємо, що енергія поля W = qU / 2 = qsup2- / 2C = CUsup2- / 2.

Така формула підходить для будь-якого конденсатора. Повна робота поля дорівнює A = 1 / 2qU.

Те ж саме вийде, якщо застосувати подовжений провідник замість конденсатора.

Визначення енергії експериментальним шляхом

Замір енергії приладу проводиться по тепловому дії. У пробірку поміщають спіраль з металу, закривають пробкою з трубкою, в якій є крапелька води. Вийде газовий термометр. До спіралі підключають конденсатор, а паралельно - електрометрії з кулею, порожнистим усередині.

Конденсатор заряджають за допомогою кульок, а потім розряджають за допомогою спіралі. Можна буде помітити переміщення краплі в трубці.

Після охолодження повітря і переміщення краплі в початкове положення напруга збільшують. Крапля переміститься на кілька значень вище. Конденсатор змінюють на велику ємність в два рази. Зарядивши його до початкового рівня, можна спостерігати переміщення, збільшене вдвічі.

потенційна енергія електричного поля

Щільність енергії електричного поля

Задають енергію таку, щоб конденсатор не мав значний, а бралися до уваги тільки величини, що характеризують поле. При цьому повинна бути обчислена енергія електричного поля на одиницю об`єму.

В результаті підстановок щільність енергії виходить: omega- = W / V = epsilon- epsilon-Epsilon-sup2- / 2, тобто вона пропорційна квадрату напруженості.

Енергія взаємодії зарядів або енергія в електричному полі

Отже, для зарядки конденсатора необхідна робота, щоб подолати сили електростатичного притягання між різними зарядами при їх поділі. За рахунок цього виникне запас потенційної енергії.

Для зарядки будь-якого тіла також необхідна робота, в даному випадку для подолання електростатичного відштовхування між однойменними зарядами.

Взявши відокремлений провідник, подаємо заряд q. Потенціал поля на нескінченності буде дорівнює нулю, а потенціал провідника - phi- (q). Для перенесення малого заряду q потрібна робота:

A = phi- (q) q.

Робота із зарядки відокремленого провідника визначається за формулою:

A = W = 1/2 phi- (Q) Q = 1 / 2C (phi- (Q))²

На питання, де запасається енергія, відповідають двома варіантами. По одному з них, це енергія взаємодії зарядів на провіднику, а по іншому, енергія - електричного поля виходить, так як розподілена в навколишньому просторі.

Якого відповіді з цих двох віддати перевагу - особисте рішення кожного учня. Але, слід врахувати, що при вивченні змінних полів можливим стає тільки другий варіант, де енергія зв`язується з електричним полем.


Оцініть, будь ласка статтю
Всього голосів: 119