Энергия электрического поля. Как и всякий заряженный проводник, заряженный конденсатор обладает энергией
Как и всякий заряженный проводник, заряженный конденсатор обладает энергией. Так, например, если заряженный конденсатор замкнуть на электрическую лампочку или на проводник, то наблюдается кратковременное вспыхивание лампочки или нагрев проводника, конденсатор разряжается, а его энергия превращается в тепло. Где же сосредоточена, локализована энергия конденсатора? Можно, предполагать, что она сосредоточена на обкладках конденсатора, т.е. на электрических зарядах или в электрическом поле, т.е. в пространстве между обкладками. Только опыт может дать ответ на этот вопрос.
Пока мы рассматриваем постоянные электрические поля, такой опыт невозможен, так как в этом случае мы всегда имеем заряды, окруженные электрическим полем, и, наоборот, - электрические поля совместно с электрическими зарядами. Однако интересующие нас опытные данные можно получить, рассматривая переменные во времени поля. Далее мы увидим, что существуют электромагнитные волны, представляющие собой электрические и магнитные поля, изменяющиеся во времени и распространяющиеся с определенной скоростью в пространстве. Электрические поля в электромагнитных волнах можно получить без электрических зарядов, первоначально породивших эти поля; а магнитные поля – без электрических токов, их поддерживающих. Опыт показывает, что электромагнитные волны заключают в себе и переносят энергию, и эту энергию мы с успехом используем в радиотехнике для целей связи и в других технических устройствах. Факт существования электромагнитных волн позволяет ответить на поставленный выше вопрос и заключить, что энергия конденсатора сосредоточена в электрическом поле.
Учитывая это, мы получим выражение для энергии заряженного конденсатора и преобразуем его таким образом, чтобы в него входила характеристика поля – его напряженность. Для этого представим себе, что конденсатор разряжается, и обозначим через u мгновенное значение напряжения на его обкладках в процессе разряда. Если элементарный заряд dq проходит между обкладками, то работа электрических сил dA, согласно (4.19) определяется выражением
dA = -u dq,
в котором знак "-" указывает на уменьшение заряда на обкладках при разряде. Выражая в этой формуле заряд обкладок q через напряжение по формуле (13.1), получим
dA = -Cu du.
Полную работу, совершенную электрическими силами при полном разряде конденсатора, равную энергии конденсатора W, мы найдем, интегрируя это выражение между значениями напряжения U (начало разряда) и 0 (конец разряда):
А = W = -C 
= 
CU2. (15.1)
Пользуясь соотношением (13.1), можно представить выражение для энергии заряженного конденсатора также в любом из следующих видов:
W = CU2 = qU = 
. (15.2)
Выразим энергию заряженного конденсатора через напряженность поля. Для простоты рассмотрим случай однородного поля в плоском конденсаторе. Воспользовавшись выражениями для емкости плоского конденсатора (C = ee0S/d) и разности потенциалов между его обкладками (U = Ed), из (15.1) получим
W = CU2 = 
(Ed)2 = ee0Е2V,
где Sd = V – объем, занимаемый полем.
Тогда объемная плотность энергии электрического поля (энергия единицы объема) w равна:
w = W/V = ee0Е2. (15.3)
Выражение (15.3) справедливо только для изотропного диэлектрика, для которого выполняется соотношение (8.2): 
=æe0 
.
Используя выражение (15.2), можно найти механическую силу, с которой пластины конденсатора притягивают друг друга. Для этого предположим, что расстояние х между пластинами меняется, например, на величину dx. Тогда действующая сила совершает работу Fdx = - dW (знак ²-² указывает на то, что указанная работа совершается за счет убыли электрической энергии). Таким образом
F = - 
. (15.4)
Подставив в (15.2) выражение емкости плоского конденсатора (13.3), получим
W = = 
. (15.5)
Производя дифференцирование выражения (15.5), найдем искомую силу:
F = - = - 
, (15.6)
где знак ²-² указывает, что сила F является силой притяжения.
Контрольные вопросы
1 Что представляет собой простейший конденсатор?
2 Что понимают под обкладками простейшего конденсатора?
3 Запишите выражения для емкости плоского, сферического, цилиндрического конденсаторов, двухпроводной линии.
4 От чего зависит электроемкость конденсатора?
5 Три одинаковых конденсатора один раз соединены последовательно, другой - параллельно. Во сколько раз и в каком случае емкость батареи будет больше?
6 Выведите формулы для энергии заряженного конденсатора, выражаемые через заряд на обкладках конденсатора и через напряженность поля между обкладками конденсатора.
7 Может ли электростатика ответить на вопрос: где локализована энергия заряженного конденсатора, и что является ее носителем - заряды или поле? Почему?
8 Запишите выражение электроемкости батареи конденсаторов при их параллельном соединении. Какие физические величины остаются общими для отдельных конденсаторов батареи?
9 Запишите выражение электроемкости батареи конденсаторов при их последовательном соединении. Какие физические величины остаются общими для отдельных конденсаторов батареи?
10 Для чего используют смешанное (комбинированное) соединение конденсаторов?
Тесты
1. Какова энергия электрического поля конденсатора электроемкостью 20 мкФ при напряжении 10 В?
| А) 1×103 Дж | В) 2×10-4 Дж | С) 1×10-4 Дж | Д) 2×10-3 Дж | Е) 1×10-3 Дж |
2. Площадь пластины плоского воздушного конденсатора 60 см2, заряд конденсатора 1 нКл, разность потенциалов между его пластинами 90 В. Определите расстояние между пластинами конденсатора. Электрическая постоянная равна 8,85×10-12 Ф/м.
| А) 3,9 мм | В) 4,2 мм | С) 4,5 мм | Д) 4,8 мм | Е) 5,1 мм |
3. Действующее значение напряжения на конденсаторе в контуре равно 100 В. Определите максимальное значение энергии конденсатора (электрического поля), если электроемкость конденсатора равна 10 пФ.
| А) 0,001 мкДж | В) 0,01 мкДж | С) 0,1 мкДж | Д) 1 мкДж | Е) 10 мкДж |
4. Конденсатор емкостью 1 мФ при напряжении 1,2 кВ применяют для импульсной контактной сварки медной проволоки. Найдите среднюю полезную мощность разряда, если он длится 1 мкс. КПД установки 4 %.
| А) 28,8 МВт | В) 21,6 МВт | С) 14,4 МВт | Д) 10,8 МВт | Е) 7,2 МВт |
5. По тонкому кольцу радиуса R равномерно распределен заряд q. Модуль напряженности электрического поля на оси кольца на расстоянии R 
от его центра равен
А)  | В)  | С)  | Д)  | Е)  |
6. Заряженный воздушный конденсатор обладает энергией W. Чему станет равна его энергия, если пространство между обкладками заполнить диэлектриком с диэлектрической проницаемостью e=4?
| А) 4W | В)  W | С) W | Д) 2W | Е) W |
7. Плоский воздушный конденсатор заряжен и отключен от источника. Какова толщина L плоской стеклянной пластинки, которую нужно ввести в зазор, чтобы разность потенциалов уменьшилась в n раз? Диэлектрическая проницаемость стекла e. Ширина зазора между обкладками d (d>L).
А)  | В)  | С)  | Д)  | Е)  |
8. Для того чтобы удалить пластину диэлектрика с диэлектрической проницаемостью e из заряженного и отключенного от источника напряжения плоского конденсатора, обладающего энергией W, нужно совершить работу …
| А) eW | В)  W | С)   W | Д) (e-1)W | Е) (e+1)W |
9. Парафиновая пластинка заполняет все пространство между обкладками плоского конденсатора. Диэлектрическая проницаемость парафина e. Емкость конденсатора с парафином равна С, его заряд q. Какую работу надо совершить, чтобы вытащить пластинку из конденсатора?
А)  | В)  | С)  | Д)  | Е)  |
10. Конденсатор заряжен до разности потенциалов U и отключен от источника напряжения. Определите диэлектрическую проницаемость диэлектрика, если при его удалении из конденсатора разность потенциалов между пластинами конденсатора возрастает в пять раз (диэлектрик полностью заполняет пространство между обкладками конденсатора).
| А) 5 | В) 3 | С) 6 | Д) 2,5 | Е) 10 |
11. Единица размерности физической величины, которую в системе СИ можно представить как 
, называется …
| А) Кулон | В) Ньютон | С) Ом | Д) Фарад | Е) Ампер |
12. Энергия заряженного и отключенного от источника напряжения плоского воздушного конденсатора при уменьшении расстояния между его пластинами вдвое и заполнении пространства между пластинами диэлектриком с e=2:
А) не изменится
В) увеличится в 4 раза
С) уменьшится в 4 раза
Д) уменьшится в 2 раза
Е) увеличится в 2 раза
13. Как изменится емкость плоского конденсатора, если расстояние между его обкладками увеличить в 2 раза?
А) увеличится в 2 раза
В) уменьшится в 2 раза
С) уменьшится в 4 раза
Д) увеличится в 4 раза
Е) однозначно ответить нельзя, так как не заданы заряд конденсатора и разность потенциалов между его обкладками
14. Заряд на обкладках конденсатора увеличился в 2 раза. Как изменилась при этом электроемкость конденсатора?
А) не изменилась
В) увеличилась в 2 раза
С) уменьшилась в 2 раза
Д) увеличилась в 4 раза
Е) ответ зависит от типа конденсатора
15. Конденсатор был заряжен до 10 В. При разрядке конденсатора в электрической цепи выделилась энергия 0,05 Дж. Какой заряд был на обкладке конденсатора?
| А) 1×10-2 Кл | В) 1×10-3 Кл | С) 1×10-4 Кл | Д) 1×10-5 Кл | Е) 1×10-1 Кл |
16. Если разность потенциалов между обкладками конденсатора увеличить в n раз, то его электроемкость …
А) не изменится
В) увеличится в n раз
С) уменьшится в n раз
Д) увеличится в n2 раз
Е) уменьшится в n2 раз
17. Плоский воздушный (e=1) конденсатор с площадью пластины S=500 см2 подключен к батарее с ЭДС Е=300 В. Определите работу внешних сил по раздвижению пластин от d1=1 см до d2=3 см, если пластины в процессе раздвигания остаются подключенными к батарее. Электрическая постоянная e0=8,85×10-12 Ф/м.
| А) 1,13 мкДж | В) 1,23 мкДж | С) 1,33 мкДж | Д) 1,43 мкДж | Е) 1,53 мкДж |
18. Плоский конденсатор, расстояние между пластинами которого d=5 см, заряжен до разности потенциалов U=200 В и отключен от источника. Каково будет напряжение на конденсаторе, если расстояние между его пластинами увеличить на Dd=0,05 м?
| А) 50В | В) 100 В | С) 300 В | Д) 400 в | Е) 500 В |
19. Пространство между обкладками плоского конденсатора заполнено стеклом с диэлектрической проницаемостью e=6. Расстояние между обкладками d=2 мм. Конденсатор заряжен до напряжения U=200 В. Найдите поверхностную плотность зарядов s на обкладках конденсатора. Электрическая постоянная e0=8.85×10-12 Ф/м.
А) 9,3 мкКл/м2 В) 8,3 мкКл/м2 С) 7,3 мкКл/м2
Д)6,3 мкКл/м2 Е) 5,3 мкКл/м2
20. Две пластины с электрическими зарядами противоположных знаков расположены параллельно. Как изменится энергия электрического поля между пластинами при увеличении расстояния между ними в 2 раза? Заряд пластин не изменяется.
А) не изменяется
В) уменьшится в 2 раза
С) увеличится в 2 раза
Д) уменьшится в 4 раза
Е) увеличится в 4 раза
21. Парафиновая пластинка заполняет все пространство между обкладками плоского конденсатора. Диэлектрическая проницаемость парафина e=2. Емкость конденсатора с парафином С=4 мкФ, его заряд q=0,2 мКл. Какую работу надо совершить, чтобы вытащить пластинку из конденсатора?
А) 2 мДж В) 4 мДж С) 5 мДж Д) 6 мДж Е) 8 мДж
22. Какую площадь должны иметь пластины плоского конденсатора для того, чтобы его электроемкость была равна 1 нФ, если между пластинами помещается слой слюды толщиной 0,1 мм? Диэлектрическая проницаемость слюды 7. Электрическая постоянная 8,85×10-12 Ф/м.
А) 8 см2 В) 12 см2 С) 16 см2 Д) 20 см2 Е) 25 см2
23. Расстояние между пластинами заряженного плоского конденсатора равно d. От одной из пластин одновременно стали двигаться по нормали к ним протон («р») и альфа-частица («a»). Какое расстояние пройдет альфа-частица за время, необходимое протону на весь путь от одной пластины до другой?
А) 
В) d C) 
Д) 
Е) 
24. Расстояние между пластинами плоского конденсатора d=0,5 мм. Конденсатор зарядили до разности потенциалов U=10 В и отключили от источника. Какова будет разность потенциалов, если пластины раздвинуть на 2,0 мм? Полагайте, что размеры обкладок значительно больше расстояния между ними.
А) 35 В В) 40 В С) 45 В Д) 50 В Е) 55 В
25. Плоский воздушный конденсатор, площадь пластины которого равна S, заряжен до разности потенциалов U. При напряженности поля в конденсаторе Е, энергия, запасенная в конденсаторе, определяется выражением… Электрическая постоянная равна e0.
А) 
В) 
С) 
Д) 
Е) 
26. Плоский воздушный конденсатор, площадь пластины которого равна S, заряжен до разности потенциалов U. Напряженность поля в конденсаторе Е. Электрическая постоянная e0. Определите поверхностную плотность заряда на пластинах.
А) 
В) 
С) e0Е Д) 
Е) 
27. Между пластинами плоского воздушного конденсатора, к которому приложено напряжение 500 В, находится во взвешенном состоянии пылинка массой 10-7 г. Расстояние между пластинами 5 см. Определите заряд пылинки, если ускорение силы тяжести g = 10 м/с2.
А) 1×10-9 Кл В) 1×10-10 Кл С) 1×10-11 Кл Д) 1×10-12 Кл Е) 1×10-13 Кл
28. Энергия электрического поля, созданного внутри плоского конденсатора, отключенного от источника тока, равна W. Чему станет равной энергия поля, если из него вынуть диэлектрик с диэлектрической проницаемостью e=3?
A) 3W/2 B) 2W/3 C) W Д) 3W E) W/3
29. Две пластины с электрическими зарядами противоположных знаков расположены на небольшом расстоянии параллельно друг другу. Изменится ли энергия электрического поля между пластинами при уменьшении расстояния между ними в 2 раза? Заряд пластин не изменяется.
А) не изменится В) уменьшится в 2 раза С) увеличится в 2 раза
Д) уменьшится в 4 раза Е) увеличится в 4 раза
30. Площадь каждой пластины плоского воздушного конденсатора S. Если конденсатор заряжен зарядом q и отключен от источника тока, то для того, чтобы расстояние между пластинами увеличить на Dх, необходимо совершить работу, равную… Электрическая постоянная равна e0.
А) 
В) 
С) 
Д) 
Е) 
31. Расстояние между квадратными пластинами плоского конденсатора со стороной в 10 см равно 1 мм. Какова разность потенциалов между пластинами, если заряд на одной пластине равен 1 нКл? Электрическая постоянная e0=8,85×10-12 Ф/м.
А) 1,1 В В) 11 В С) 110 В Д) 2,2 В Е) 22 В
32. Найдите энергию уединенной сферы радиусом R=4 см, заряженной до потенциала j=500 В. Электрическая постоянная e0=8,85×10-12 Ф/м. Сфера находится в вакууме.
А) 0,56 мкДж С) 0,66 мкДж С) 0,76 мкДж Д) 0,86 мкДж Е) 0,96 мкДж
33. Плоский воздушный конденсатор заряжен до некоторой разности потенциалов. В конденсатор поместили диэлектрическую пластинку, заполняющую все пространство между обкладками. После этого для восстановления прежней разности потенциалов пришлось увеличить заряд пластины в три раза. Определите диэлектрическую проницаемость e пластинки.
А) 2 В) 3 С) Д) 9 Е) верного ответа нет
34. Плоский воздушный конденсатор емкостью С1=10 пФ заряжен до разности потенциалов U1=900 В. После отключения конденсатора от источника напряжения расстояние между пластинами конденсатора было увеличено в 3 раза. Определите разность потенциалов U2 на обкладках конденсатора после их раздвижения.
А) 100 В В) 300 В С) 900 В Д) 2 700 В Е) 8 100 В
35. Лейденская банка емкостью 3,3 нФ заряжена до разности потенциалов 20 кВ. Предполагая, что при разряде банки 10 % ее энергии рассеивается в виде звуковых и электромагнитных волн, определите количество выделившейся теплоты.
А) 0,55 Дж В) 0,6 Дж С) 0,65 Дж Д) 0,7 Дж Е) 0,75 Дж
36. Плоский конденсатор зарядили и отключили от источника тока. Как изменится энергия электрического поля конденсатора при уменьшении расстояния между его пластинами в 2 раза?
А) увеличится в 2 раза
В) увеличится в 4 раза
С) не изменится
Д) уменьшится в 2 раза
Е) уменьшится в 4 раза
37. Каким выражением определяется модуль напряженности электрического поля между пластинами плоского конденсатора, если площадь каждой пластины S, на одной пластине находится заряд +2q, на другой -q?
А) 
В) 
С) 
Д) 
Е) 
38. Парафиновая пластинка заполняет все пространство между обкладками плоского конденсатора. Диэлектрическая проницаемость парафина e. Емкость конденсатора с парафином С, его заряд q. Какую работу надо совершить, чтобы вытащить пластинку из конденсатора?
A) 
B) 
C) 
Д) 
Е) 
Верные ответы в заданиях отмечены красным цветом.