大學物理電磁學 靜電場的能量

2021-10-06 21:23:04 字數 2023 閱讀 1017

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​∑

1n​q

i​ui

​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​∫

ω​ud

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=21​q

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=2cq2​w=

12u2

cw=\fracu^2c

w=21​u

2c電場能量密度:電場中單位體積中電場能量。

ω

=lim⁡δ

v→0δ

wδv=

dwdv

\omega=\lim_\frac=\frac

ω=limδv→

0​δv

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=21​ϵ

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=21​ϵ

e2=2

1​de

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​∫

v​e⋅

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。

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