高中物理竞赛系列讲座--- 静电场的能量

智浪教育-普惠英才静电场的能量1．5．1、带电导体的能量一带电体的电量为Q，电容为C，则其电势CQU。我们不妨设想带电体上的电量Q，是一些分散在无限远处的电荷，在外力作用下一点点搬到带电体上的，因此就搬运过程中，外力克服静电场力作的功，就是带电体的电能。该导体的电势与其所带电量之间的函数关系如图1-5-1所示，斜率为C1。设每次都搬运极少量的电荷Q，此过程可认为导体上的电势不变，设为iU，该过程中搬运电荷所做的功为QUWii，即图中一狭条矩形的面积（图中斜线所示）因此整个过程中，带电导体储存的能量为QUWWii其数值正好等于图线下的许多小狭条面积之和，若Q取得尽可能小，则数值就趋向于图线下三角形的面积。2221221CUCQQUQUWi上述带电导体的静电能公式也可推广到带电的电容器，因为电容器两板间的电势差与极板上所带电量的关系也是线性的。1．5．2、电场的能量由公式221CUW，似乎可以认为能量与带电体的电量有关，能量是集中在电荷上的。其实，前面只是根据功能关系求得带电导体的静电能，并未涉及能量的分布问题。由于在静电场范围内，电荷与电场总是联系在一起的，因此QQOUiU图1-5-1智浪教育-普惠英才电能究竟与电荷还是与电场联系在一起，尚无法确定。以后学习了麦克斯韦的电磁场理论可知，电场可以脱离电荷而单独存在，并以有限的速度在空间传播，形成电磁波，而电磁波携带能量早已被实践所证实。因此我们说，电场是电能的携带者，电能是电场的能量。下面以平行板电容器为例，用电场强度表示能量公式。kSdEdEkdSCUW8421212222单位体积的电场能量称为电场的能量密度，用来表示kEVW82上式是一个普遍适用的表达式，只要空间某点的电场强度已知，该处的能量密度即可求出，而整个电场区的电场能量可以通过对体积求和来求得。1．5．3、电容器的充电如图1-5-2所示，一电动势为U的电源对一电容为C的电容器充电，充电完毕后，电容器所带电量CUQ电容器所带能量221CUW而电源在对电容器充电过程中，所提供的能量为WCUQUW22也就是说，在充电过程中，电容器仅得到了电源提供的一半能量，另一半能量在导线和电源内阻上转化为内能，以及以电磁波的形式发射出去。例7、用N节电动势为的电池对某个电容器充电，头一次用N节电池串图1-5-2智浪教育-普惠英才联后对电容器充电；第二次先用一节电池对电容器充电，再用两节串联再充一次，再用三节串联再充……直到用N节串联充电，哪一种方案消耗电能多？解：第一次电源提供的能量NQW，电容器储能NQE21，消耗的能量22121NCNQEWE。第二次充电时，电容器上电量从0→Q1→Q2→Q3……而CQ1)2(2CQ)3(3CQ电源每次提供能量为211CQQW211222222CQQQW…………211NCNQQWNNN22121321CNNNCWW消耗的能量NECNEWE/212显然，前一种方案消耗能量多，实际上，头一种方案电源搬运电量Q全部是在电势差N条件下进行的。第二种方案中，只有最后一次搬运电量1NNQQ是在电势差N下进行的，其余1N是在小于N下进行的。