§ 24. Энергия электростатического поля конденсатора
Пример 1. Определите, как и во сколько раз изменится энергия электростатического поля заряженного плоского воздушного конденсатора, если пространство между его обкладками заполнить керосином, диэлектрическая проницаемость которого ε2 = 2. Рассмотрите случаи: а) конденсатор отключён от источника тока; б) конденсатор подключён к источнику тока.
ε1 = 1
ε2 = 2
Решение: Электроёмкость воздушного конденсатора . Электроёмкость этого конденсатора после заполнения пространства между обкладками керосином
. Следовательно,
.
В случае а) конденсатор отключён от источника тока, поэтому q2 = q1. Тогда, если энергия электростатического поля воздушного конденсатора , то энергия электростатического поля этого конденсатора, заполненного керосином:
Таким образом, энергия электростатического поля уменьшилась в 2 раза.
В случае б) конденсатор не отключён от источника тока, поэтому напряжение между его обкладками равно напряжению между полюсами источника тока U2 = U1 = U. Тогда, если энергия электростатического поля воздушного конденсатора , то энергия электростатического поля этого конденсатора, заполненного керосином:
Таким образом, энергия электростатического поля увеличилась в 2 раза.
Ответ: а) энергия электростатического поля уменьшилась в 2 раза; б) энергия электростатического поля увеличилась в 2 раза.
Пример 2. Плоский воздушный конденсатор, площадь перекрытия обкладок которого S = 100 см2, поместили в керосин с диэлектрической проницаемостью ε = 2,0 и подключили к источнику тока с напряжением на полюсах U = 120 В. Определите минимальную работу, которую необходимо совершить внешней силе, чтобы после отключения конденсатора от источника тока медленно увеличить расстояние между его обкладками от d1 = 1,0 см до d2 = 2,0 см.
S = 100 см2 = 1,00 · 10–2 м2
ε = 2,0
U = 120 В
d1 = 1,0 см = 1,0 · 10–2 м
d2 = 2,0 см = 2,0 · 10–2 м
Решение: Модуль заряда каждой из обкладок конденсатора
Энергия электростатического поля конденсатора до изменения расстояния между его обкладками
После отключения конденсатора от источника тока заряды на его обкладках не изменяются.
Энергию электростатического поля конденсатора после увеличения расстояния между его пластинами определим следующим образом:
Минимальная работа, которую необходимо совершить внешней силе, чтобы увеличить расстояние между обкладками конденсатора, равна приращению энергии электростатического поля конденсатора, так как при медленном увеличении расстояния между обкладками конденсатора их кинетическая энергия остаётся близкой нулю.
Ответ: .