Энергия заряженного конденсатора. Энергия электрического поля

Заряженный конденсатор обладает электростатической энергией, которую можно рассматривать либо как потенциальную энергию взаимодействия зарядов, сосредоточенных на обкладках, либо как энергию создаваемого этими зарядами электростатического поля, заключенного между обкладками конденсатора.

При зарядке конденсатора в нем создается электростатическое поле, при разрядке оно исчезает. Работа, затраченная внешним источником на зарядку конденсатора, пошла на создание поля, а работа при разрядке конденсатора совершается за счет исчезновения поля. Таким образом, можем сделать вывод, что электростатическое поле обладает определенным количеством потенциальной энергии.

Энергия заряженного конденсатора определяется работой, затраченной на его зарядку (способ зарядки на величину энергии не влияет), т. е. на перемещение заряда с одной обкладки на другой, для создания заданной разности потенциалов φ ₁ - φ ₂, которую называют напряжением U между обкладками конденсатора:

.

Среднее значение разности потенциалов в процессе разрядки запишется так:

.

Работа А, совершаемая электрическим полем при разрядке конденсатора, определится по формуле

.

Изменение энергии электрического поля равно работе, совершенной при разрядке конденсатора:

;

.

С учетом выражения для электроемкости плоского конденсатора

получим

,

где V = Sd — внутренний объем конденсатора.

Таким образом, энергию плоского конденсатора можно рассчитать по формуле

.

Поле плоского конденсатора существует практически только внутри него. Энергию заряженного конденсатора можно представить так же, как энергию поля, локализованного в пространстве между пластинами, с плотностью энергии ω:

Плотность энергии поля численно равна энергии поля в единичном объеме. Она пропорциональна квадрату напряженности электрического поля в этой области, что справедливо для электрических полей любой конфигурации, а не только для однородных полей, в том случае, если среда, заполняющая пространство, изотропная.

Наличие у электрического поля энергии является доказательством того, что поле — это особый вид материи.