Энергия электрического поля. Объемная плотность энергии

Заряженный конденсатор обладает энергией, определяемой формулами (3.33) и (3.34):

.

Или учитывая (3.22)

,

а с учетом (3.27)

.

Так как Sd=V -объем, заключенный между пластинами, то:

. (3.35)

Как видим, энергия конденсатора выражается через величину, характеризующую электрическое поле – его напряженность Е.

Энергия электрического поля, приходящаяся на единицу объема, называется объемной плотностью энергии и выражается соотношением:

, (3.36)

ее размерность: .

Силы притяжения между разноименно заряженными пластинами плоского конденсатора (пондемоторные силы):

(3.37)

 

 

Постоянный электрический ток

 

Проводники в отличии от диэлектриков (изоляторов) имеют свободные заряды. Упорядоченное движение зарядов называется электрическим током. Перемещение зарядов (электронов в металле, ионов в электролитах и газах) происходит под действием сил электрического поля. Эти электрические токи называются токами проводимости.

Условились за направление электрического тока принимать движение положительных зарядов в электрическом поле (от “+” к “-”).

Электрический ток нельзя представить как простое механическое перемещение заряженных частиц, т.к. движение зарядов вызывает появление магнитного поля и не подчиняется законам механики.

Сила тока Iчисленно равна количеству электричества Q, протекшего через проводник в единицу времени (измеряется в Амперах):

(3.38)

Если величина I с течением времени не меняется, то ток называется постоянным.

Для того, чтобы ток существовал в проводнике долго, необходимо, чтобы кроме электрических сил действовали сторонние силы (силы неэлектрического происхождения). Они должны поддерживать постоянной разность потенциалов на концах проводника. Электрическое поле сторонних сил создается источниками тока (генераторами, аккумуляторами, батареями и т.д.). Величина работы сторонних сил, отнесенная к единице положительного заряда, называется ЭДС:

Таким образом, перемещение зарядов в проводнике не может осуществляться долго только за счет электрических сил без вклада сторонних сил, т.е.

А=А_ЭЛ+А_СТ=Q₀(φ₁-φ₂)+Q₀ε (3.39)

Физическая величина, численно равна работе кулоновских и сторонних сил по перемещению единицы (1 Кулона) положительного заряда, называется падением напряжения или просто напряжением U на участке цепи: U=Δφ+ε.

Напряжение на участке цепи равно разности потенциалов Δφ только в том случае, если на этом участке отсутствует ЭДС (однородный участок).

 

 

Закон Ома

 

Для однородного участка цепи

 

(3.40)

Сопротивление R зависит от длины проводника ℓ и площади S его поперечного сечения:

, (3.41)

где ρ- удельное сопротивление, зависящее от материала проводника.

Величина I/ρ называется удельной проводимостью.

Для участка цепи с ЭДС:

и

Закон Ома в интегральной форме для полной цепи: сила тока в замкнутой цепи пропорциональна алгебраической сумме всех ЭДС, действующих в цепи, и обратно пропорциональна ее полному сопротивлению, равному сумме сопротивлений внешнего R и внутреннего R_i участков цепи:

(3.42)