自能:乙個帶電體的電荷可以看作由許多微電荷元組成,把這些微電荷元從無窮遠的分離狀態聚集到這個帶電體上,外力作的功定義為這個帶電體的自能
由於把有限的電荷從無窮遠聚集起來,並壓縮到乙個點上,這個功必須是無窮大,因此點電荷的自能是無窮大。這個時候其實討論點電荷的勢能沒有意義,我們在研究點電荷系統時,通常忽略它們的勢能,只研究相互作用能。
相互作用能:若乙個電荷系統包括幾個帶電體,這個電荷系統的總靜電能減去各個帶電體的自能,剩餘部分的能量就是相互作用能。
總靜電能 = 自能 + 相互作用能
w=1
2∑1n
qiui
w=\frac\sum^n_1q_iu_i
w=21∑
1nq
iui
其中u
iu_i
ui是除了第i個電荷外,其他所有電荷在第i個電荷處的電勢。
對於這種連續分布的電荷系統,可以把它看做很多個無限小的電荷元。這些無限小的電荷元自能可以視為零,因為dq趨於零。連續分布電荷系統的靜電能可以看做是各個電荷元的相互作用能之和,也可以看作是整個帶電體的自能。
利用前者我們可以得到公式
w =1
2∫ωu
dq
w=\frac\int_\omega udq
w=21∫
ωud
q其中,u可以看作dq所在點的電勢。積分區域應該包含電荷密度不為零的所有區域。
我們把兩個極板的靜電能用上面的公式計算後相加,就可以得到電容器的靜電能。
w =1
2q
uw=\fracqu
w=21q
u注意這裡的q是指乙個極板電荷量的絕對值,u是兩個極板的電勢差。
根據c =q
uc=\frac
c=uq
,這個式子又可以表示為:
w =q
22
cw=\frac
w=2cq2w=
12u2
cw=\fracu^2c
w=21u
2c電場能量密度:電場中單位體積中電場能量。
ω
=limδ
v→0δ
wδv=
dwdv
\omega=\lim_\frac=\frac
ω=limδv→
0δv
δw=
***w
對於平行板電容器來說
e =σ
ϵe=\frac
e=ϵσ
根據第六條的公式,我們可推出
w =1
2ϵe2
sd
w=\frac\epsilon e^2sd
w=21ϵ
e2sd
由於兩板間是勻強電場,這個能量是均勻分布在體積sd中的,因此
ω =1
2ϵe2
=12d
e\omega=\frac\epsilon e^2=\fracde
ω=21ϵ
e2=2
1de
這個公式不僅適用於靜電場,也適用於變化電磁場,是電場能量密度的普遍表示式。
因此電場的總能量又多了一種計算方法
w =1
2∫ve
⋅ddv
w=\frac\int_ve\cdot ddv
w=21∫
ve⋅
ddv
(補充)在這一章的習題中,我們經常要通過能量守恆來計算外力做的功,電源做的功和電容器靜電能的增量。 根據能量守恆,我們知道外力做的功加上電源做的功等於靜電能的增量,而電源做的功就是非靜電力做的功,w=uδq
u\delta q
uδq,當電容與電源斷開時,q不變的話電源做功為零。
基礎物理 電磁學 (一)電場
前置知識 基礎物理 物質的組成 一 電荷 電場 自然界中有電的現象根本在於有電荷。電荷是物質的一種物理性質,不能單獨存在,但是很多時候說到電荷都指的是帶著電荷的物質。電荷有正電荷和負電荷兩種,同種電荷相互排斥,異種電荷相互吸引。根據電荷守恆定律,電荷不會創生,不會消滅,只能在物體間轉移,轉移過程中總...
大學物理 靜電場中的導體 電介質 1
12.2 靜電場中的電介質 12.3 電容 電容器 12.4 電場的能量 1.導體的靜電平衡狀態 自由電子 脫離所屬原子的束縛而在金屬中自由運動的電子。晶體點陣 帶正電的金屬離子在金屬中按一定分布排列形成的金屬骨架。靜電感應 導體在外電場中,其上的電荷重新分布,區域性呈帶點狀態的現象。感應電荷 導體...
猴博士物理電磁學筆記 初中電磁學簡單學 一
表弟問 哥,電磁學怎麼學。很簡單!我們將初中電磁學分為四個部分講解透徹。首先是基本概念部分 a 磁現象。要求同學們了解什麼是磁現象?例如指南針的指標偏轉就是一種磁現象 b 磁場。這部分內容需要同學們了解磁場是真實存在的。例如我們上面提到的指南針的指標轉動,就可以證明有磁場的存在,並且磁場力是一種非接...