Енергія в електростатиці

В рамках електростатики дати відповідь на питання, де саме зосереджена енергія будь-якого конденсатора, неможливо. Заряди і поля, що сформували їх, не можуть існувати відокремлено.

Отже, їх розділити не реально. Однак змінні електростатичного поля способи існувати незалежно від збуджуючих їх позитивних зарядів, які в результаті і переносять енергію. Ці факти змушують вчених визнати, що носієм енергетичного потенціалу є електростатичне поле.

Одне з найбільш корисних і цікавих відкриттів в електростатики – це закон збереження енергії.

Знаючи рівняння для потенційної і кінетичної сили механічної системи, можливо знаходити взаємозв’язок між станами концепції в два різних періоду часу, не вникаючи в деталі того, що відбувається між цими моментами. В електриці збереження енергії може виявитися надзвичайно важливим для виявлення багатьох наукових фактів.

При перетворенні і русі електричних зарядів сили кулонівського впливу здійснюють певну роботу dA. Досконала певною системою робота в основному визначається спадом енергії початкового взаємодії -dW діючих зарядів.

Електростатичні сили постійної взаємодії досить консервативні; отже, концепція зарядів оснащена потенційною енергією.

Кожен з нерухомо точкових зарядів проникає в поле іншого, забираючи част його енергетичного потенціалу. Додаючи до конкретної системи з двох зарядів послідовно позитивно заряджені елементи можна переконатися в тому, що в разі нерухомих частинок енергія взаємозв’язку дорівнює потенціалу, створюваному в матеріальній точці, де розташований сам заряд.

Якщо в системі є відокремлений провідник, ємність і потенціал якого відповідно рівні початкового стану руху частинок, тоді спостерігається збільшення заряду цього провідника. Для цього також необхідно перенести точковий заряд з нескінченності на відокремлений об’єкт.

Подальший розвиток гіпотези і експерименту довело, що змінні в часі магнітні та електричні поля здатні існувати тільки відокремлено, незалежно від збуджуючих їх стану зарядів, і поширюються в навколишній середовищі як електромагнітних хвиль, що переносять енергію. Це переконливо пояснює основне положення закону близькодії про локалізацію енергетичних величин в поле і що головним носієм енергії є саме поле.

Електростатична енергія іонного кристала

Тепер необхідно розглянути застосування визначення електростатики в атомній фізиці. Вчені не можуть запросто вимірювати сили, які безпосередньо діють між атомами, але часто саме різниця в енергіях двох розстановок молекул цікавить найбільше.

Так як атомні сили в основі своїй – електричні параметри, то і хімічна складова в головній своїй частині – це просто електростатична величина. Наприклад, електростатична енергія іонної решітки.

Іонний ідеальний кристал, такий, як NaCl, включає до свого складу позитивні і негативні іони, які можна назвати жорсткими сферами. Вони електрично і систематично притягуються, поки повністю не стикнуться; потім активується сила відштовхування, яка миттєво зростає, якщо спробувати зблизити їх тісніше.

Для початкового наближення потрібно представить сукупність просторів, що представляють собою атоми в кристалі солі. Будова даної решітки було визначено за допомогою дифракції потужних рентгенівських променів. Ця решітка може бути тільки кубічної – щось на зразок тривимірної шахової дошки. Улюблена величина енергії, якої застосовують фізико-хіміки, – кілокалорія, рівна 4190 дж.

Найлегше розуміти сутність цієї енергії, якщо:

  • першочергово вибрати якийсь один іон;
  • підрахувати його потенційну енергію по відношенню до всіх інших рухомих іонів;
  • отримати подвоєну енергію на одну частинку, тому що енергія належить виключно парам зарядів.

Електростатична енергія ядра

Розглянемо тепер зовсім інший приклад електростатичного енергії у фізиці -електростатіку енергії атомного ядра. Перш ніж зайнятися цим питанням, необхідно вивчити деякі характеристики тих основних сил, що скріплюють між собою нейтрони і протони в ядрі. Перший час після офіційного відкриття ядер дослідники вважали, що теорія неелектричної частини енергетичної сили, що діє між одним протоном і іншим, буде мати більш елементарний вид, подібний закону зворотних квадратів в електриці.

Якби вдалося визначити таку гіпотезу сил і, крім того, що діють між протоном і нейтроном сил, то тоді цілком можливо було з теоретичної точки зору деталізовано описати поведінку всіх частинок в ядрах. Тому в науковому світі почала розгортатися величезна програма дослідження розподілу протонів для виявлення універсального закону сил, здатного взаємодіяти з ними.

Однак після тридцятирічних зусиль нічого простого так і не вдалося створити.

Під словами «складні і багатогранні настільки, наскільки можливо» варто розуміти, що ці величини залежать від всіх елементів, від яких вони могли б залежати:

  • По-перше, сила не звичайна функція відстані між рухомими протонами, так як на великих відстанях існує тяжіння, на менших спостерігається зворотний процес-відштовхування. У цьому випадку залежність від відстані являє собою деяку складну задачу, яка на сьогоднішній день погано вивчена.
  • По-друге, енергетична сила прямо залежить від початкової орієнтації спина протонів. У протонів є кілька спинив, а два взаємодіючих елемента здатні обертатися або в одному і тому ж, або в протилежних напрямках. І сила, коли спини знаходиться на паралельних сторонах, відрізняється від того, що буває, коли частинки антіпараллельни. Такий різницею знехтувати не можна, так як вона занадто велика.
  • По-третє, енергія в електростатики істотно змінюється, залежно від того, паралельний чи ні часовий проміжок між протонами і їх спинах, або ж він їм залишається перпендикулярний.
  • По-четверте, сила, як і в класичному магнетизм, значно сильніше залежить від швидкості протонів. І така швидкісна залежність сили є не релятивістським ефектом; вона велика навіть в тій ситуації, коли швидкості набагато менше швидкості світла.

Таким чином, діючі між двома нейтронами ядерні сили завжди збігаються з силами, які спостерігаються між протоном і нейтроном, і з силами, що рухаються між двома протонами.

ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Звукові хвилі