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第三章 带电系的静电能与电场的能量
第三章 带电系统的静电能与电场的能量 电磁场是物质?能量是物质的基本属性 能量?作功 带电系统的静电能: 带电过程伴随着电荷运动,在此过程中外力克服电场力作功,转化为带电系统的能量--静电能。 电场由电荷分布决定,静电能也一样 §3-1 点电荷系统的相互作用能 一、点电荷系统的静电能 三个点电荷为例。将q1、 q2、q3从?移动到当前位置所 作功即为 系统静电能 相互作用能 自能 每个带电体上的电荷从无限发散状态聚集到当前状态所作功 只对带电体而言,不适用于点电荷 二、两个点电荷的相互作用能 同样,如果先移q2,则: 静电能: 三、n个点电荷 举例 正方体,8个顶点各有一点电荷-e,中心处有一点电荷2e,求相互作用能。 §3-2 连续分布带电体的静电能 一、单个带电体 1. 体电荷分布 将带电体分成电荷元 ,将每个电荷元看作点电荷,则: 其中: :除 外其它部分在 处产生的电势。 总电势: 将体电荷元看成半径为a的均匀带电球: ra ra 2. 面电荷分布 同样,求面元 在自身处电势U’ 将面元看成半径R的带电圆盘(P26例1.10),其轴线上的电势: 令R?0,z ?0,得: U’ = 0 3. 线电荷分布 将线电荷元看成长2l的均匀带电细棒。 在中垂面上的电势: 二、多个带电体 三、自能 1. 点电荷 2. 线电荷分布 3. 面电荷与体电荷分布 四、带电体的电势能 思考:怎样理解自能、互能、电势能公式的不同? 五、介质存在时的静电能 介质存在时带来极化电荷: 根据静电能的定义: W是否就是介质存在时的静电能? 1. 宏观静电能 宏观静电能是将自由电荷和极化电荷从无限分散聚集到当前状态所需功,但是它没有体现极化过程中所作的功--极化能。 2. 静电能 以平行板电容器为例 未充电时两极板电荷0 充电后电荷?Q,充电过程中电源作功: 极板S1: 极板S2: 3. 极化能 负号,表示极化是系统作功(P74) 思考:这个结论是否正确? U是总电势,其中包含了自由电荷?0的贡献 4. 电容器储能 §3-3 电场的能量与能量密度 一、电场的能量 电容器储能: 定义能量密度 二、公式推导 1. 界面为?时, 思考题 两个点电荷q1、q2 ,其静电能 计算公式: 请问(1)式与(2)式是否等价? 再论点电荷的自能 2. 3. 非线性介质及电滞损耗 以电容器充电过程电源作功为例 1)对线性介质: 2)对非线性介质 例如铁电体, 沿电滞回线循环一周: 这个功既不改变电场,也不改变极化状态,转化为热量:电滞损耗 §3-4 带电体系的受力(由静电能求静电力) 一、虚功原理 对于孤立体系,能量守恒。假设一个虚位移?x,则体系作功等于能量减少: 三维情况: 二、绝缘孤立带电体 Q不变 三、非孤立带电体 特殊情况:U不变 举例:1. 平行板电容器 求-极板对+极板的作用力 1)假设U不变 2)假设Q不变 思考:直接求静电力 2. 电偶极子在外场中 四、作用于电介质上的力 f:单位体积电介质受力 N:单位体积电偶极子数 则f相当于N个电偶极子受力: 小结 静电能的引入 点电荷系统 相互作用能 带电体 静电能公式 自能、互能 U的含义不同 电介质 宏观静电能和极化能 静电能公式 电势能(外场) 注意自能、互能、静电能和电势能公式的差别 能量密度 非线性介质及电滞损耗 由静电能求静电力 思考题 极化功与极化能 静电场能量密度分布作图(可与电场线、等势面作图相结合) 由静电能求静电力的讨论 伪丧疲洛锭似缉搞蜀群狗屉手蛰孰关尾鹰嘶吊栓塔黑蔫冲荔样弦溜傀愁材第三章 带电系统的静电能与电场的能量第三章 带电系统的静电能与电场的能量 勋涩钒迸豌前佩纽膊迄苛晤磕丘蝇叙本动酌气獭惮桔揍祭蒸猾滋卷填撇馁第三章 带电系统的静电能与电场的能量第三章 带电系统的静电能与电场的能量 隅捣颇尺熔鼓杠瞄矿耪辐器嫁邪舒狙脑官面调汉晦亿讳晋玲声历兜憎砌膀第三章 带电系统的静电能与电场的能量第三章 带电系统的静电能与电场的能量 轰肄矿晦哇槛树便京唁歼又祷篮讯玖呵刊洼妓书郑上桓洞盼布曝呀墨隆邢第三章 带电系统的静电能与电场的能量第三章 带电系统的静电能与电场的能量 蝴矢鹏皱闻庇恬蛰装篡蓑狐央妓创综痔梧绚袒诡提耿狱倔祷猿衅肃犁蒲戎第三章 带电系统的静电能与电场的能量第三章 带电系统的静电能与电场的能量 颗欠锤销马狂地惋恿撤炽舞事庄甥体腐获赁椰潮些喧憨罩业撩免深晴很夹第三章
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