§ 38. Энергия заряженных тел. Энергия электрического поля.

Для того чтобы зарядить конденсатор, т. е. создать некоторую разность потенциалов между двумя телами – обкладками конденсатора, нужно затратить некоторую работу. Это связано с тем, что процесс зарядки тела, как мы говорили в § 5, означает всегда разделение зарядов, т. е. создание на одном теле избытка зарядов одного знака, а на другом теле – другого знака. При этом приходится преодолевать силы притяжения друг к другу положительных и отрицательных зарядов, т. е. затрачивать работу. Когда конденсатор разряжается, т. е. ранее разделенные заряды воссоединяются, то такую же работу совершают электрические силы. Таким образом, заряженный конденсатор обладает запасом потенциальной энергии, равным той работе, которая была затрачена на его зарядку.

Мы можем выразить эти факты иначе. Заряжая конденсатор, мы создаем в нем электрическое поле; при разрядке конденсатора это поле исчезает. Затраченная нами работа пошла на создание поля, а работа, совершаемая при разрядке конденсатора, получается за счет исчезновения этого поля. Можно сказать, следовательно, что всякое поле обладает некоторым запасом потенциальной энергии, освобождаемой при исчезновении этого поля.

Для наиболее простого случая плоского конденсатора (рис. 69) эту работу нетрудно вычислить. До тех пор, пока расстояние  между пластинами мало по сравнению с размерами пластин, напряженность поля  в плоском конденсаторе не зависит от расстояния . Действительно, в плоском конденсаторе поле однородно и его напряженность . Но разность потенциалов между пластинами конденсатора , а емкость  (предполагаем, что между пластинами – вакуум,  – площадь пластин). Таким образом,

,              (38.1)

т. е. при постоянных  и  напряженность поля  не зависит от , так как при изменении  изменяется также .

Рис. 69. При раздвигании на расстояние  пластин плоского конденсатора с зарядами  и , напряженность поля в котором равна , затрачивается работа

Сила, с которой притягиваются друг к другу две противоположно заряженные пластины конденсатора, зависит от заряда  на каждой из пластин и от напряженности поля . Так как при изменении  не изменяются ни , ни , то неизменной остается и сила притяжения . Поэтому работа, которую нужно затратить, чтобы раздвинуть пластины от нулевого расстояния между ними до расстояния , равна . Но раздвижение пластин означает зарядку конденсатора, у которого расстояние между пластинами равно . Действительно, когда расстояние между пластинами равно нулю, т. е. пластины сложены вместе, то их заряды  и  образуют компенсированный двойной слой, и система не заряжена. Раньше (§ 7) мы уже подробно рассматривали появление электрических зарядов на двух телах как раздвижение двойного слоя электрических зарядов.

Запас энергии , которым обладает заряженный конденсатор, равен работе , которая была затрачена на его зарядку: . Чтобы вычислить эту работу, нам остается только определить силу . Для этого воспользуемся напряженностью поля  в конденсаторе. Можно рассматривать  как результирующую двух равных напряженностей  и , из которых одна обусловлена положительным зарядом  на одной пластине (на верхней пластине), а другая – отрицательным зарядом  на другой (нижней) пластине (рис. 69). Ясно, что обе эти напряженности направлены в одну и ту же сторону, так что . Так как  (потому что обе пластины конденсатора и их заряды симметричны), то . Сила взаимодействия между пластинами  – это сила, с которой поле напряженности , вызванное зарядом  на верхней пластине, действует на заряд  нижней пластины и тянет его вверх. Но, с другой стороны,  равно силе, с которой поле напряженности , вызванное зарядом  на нижней пластине, действует на заряд  верхней пластины и тянет ее к низу.

Таким образом,

,            (38.2)

т. е,

,             (38.3)

а так как

,

то

.                   (38.4)

Вспомнив, что заряд конденсатора , мы можем переписать эту формулу также в виде

.                 (38.5)

Если в формулах (38.4) и (38.5) заряд выражать в кулонах, разность потенциалов в вольтах, а емкость в фарадах, то энергия будет выражена в джоулях. Формула (38.5) дает возможность понять, почему при разряде лейденской банки или батареи из нескольких банок, обладающей сравнительно большой емкостью, искра получается более мощной, производит более сильный звук и большее физиологическое действие, чем при разряде конденсатора малой емкости при том же напряжении. Батарея имеет больший запас энергии, чем одна банка. Молния представляет собой разряд конденсатора, «обкладками» которого являются либо два облака, либо облако и поверхность Земли. Емкость такого конденсатора сравнительно невелика, но запас энергии в молнии довольно значительный, потому что напряжение на этом конденсаторе достигает миллиарда вольт ( В).