Энергия в электростатике

В рамках электростатики дать ответ на вопрос, где именно сосредоточена энергия любого конденсатора, невозможно. Заряды и поля, сформировавшие их, не могут существовать обособленно. Следовательно, их разделить не реально. Однако переменные электростатического поля способы существовать независимо от возбуждающих их положительных зарядов, которые в результате и переносят энергию. Эти факты заставляют ученых признать, что носителем энергетического потенциала является электростатическое поле.

Рисунок 1. Энергия поля. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Одно из самых полезных и интересных открытий в электростатике — это закон сохранения энергии.

Зная уравнения для потенциальной и кинетической силы механической системы, возможно находить взаимосвязь между состояниями концепции в два разных периода времени, не вникая в детали того, что происходит между этими моментами. В электричестве сохранение энергии может оказаться чрезвычайно важным для обнаружения многих научных фактов.

При преобразовании и движении электрических зарядов силы кулоновского воздействия совершают определенную работу $dA$. Совершенная определенной системой работа в основном определяется убылью энергии начального взаимодействия $-dW$ действующих зарядов.

Энергия системы неподвижных точечных зарядов

Рисунок 2. Система неподвижных систем. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Каждый из неподвижно точечных зарядов проникает в поле другого, забирая част его энергетического потенциала. Добавляя к конкретной системе из двух зарядов последовательно положительно заряженные элементы можно убедиться в том, что в случае неподвижных частиц энергия взаимосвязи равна потенциалу, создаваемому в материальной точке, где расположен сам заряд.

Если в системе имеется уединенный проводник, емкость и потенциал которого соответственно равны начальному состоянию движения частиц, тогда наблюдается увеличение заряда этого проводника. Для этого также необходимо перенести точечный заряд из бесконечности на уединенный объект.

Дальнейшее развитие гипотезы и эксперимента доказало, что переменные во времени магнитные и электрические поля способны существовать только обособленно, независимо от возбуждающих их состояния зарядов, и распространяются в окружающее среде в качестве электромагнитных волн, переносящих энергию. Это убедительно объясняет основное положение закона близкодействия о локализации энергетических величин в поле и что главным носителем энергии является само поле.

Электростатическая энергия ионного кристалла

Рисунок 3. Энергетическая связь кристаллов. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Теперь необходимо рассмотреть применение определения электростатики в атомной физике. Ученые не могут запросто измерять силы, которые непосредственно действуют между атомами, но часто именно разница в энергиях двух расстановок молекул интересует больше всего.

Ионный идеальный кристалл, такой, как $NaCl$, включает в свой состав положительные и отрицательные ионы, которые можно назвать жесткими сферами. Они электрически и систематически притягиваются, пока полностью не соприкоснутся; затем активируется сила отталкивания, которая мгновенно возрастает, если попытаться сблизить их теснее.

Для начального приближения нужно представит совокупность пространств, представляющих собой атомы в кристалле соли. Строение данной решетки было определено посредством дифракции мощных рентгеновских лучей. Эта решетка может быть только кубической — что-то наподобие трехмерной шахматной доски. Излюбленная величина энергии, которой применяют физико-химики, — килокалория, равная 4190 дж.

Легче всего понимать сущность этой энергии, если:

• первостепенно выбрать какой-то один ион;
• подсчитать его потенциальную энергию по отношению ко всем другим движущимся ионам;
• получить удвоенную энергию на одну частицу, потому что энергия принадлежит исключительно парам зарядов.

Электростатическая энергия ядра

Рассмотрим теперь совершенно другой пример электростатической энергии в физике —электростатику энергии атомного ядра. Прежде чем заняться этим вопросом, необходимо изучить некоторые характеристики тех основных сил, скрепляющих между собой нейтроны и протоны в ядре. Первое время после официального открытия ядер исследователи полагали, что теория неэлектрической части энергетической силы, действующей между одним протоном и другим, будет иметь более элементарный вид, подобный закону обратных квадратов в электричестве.

Если бы удалось определить такую гипотезу сил и, кроме того, действующих между протоном и нейтроном сил, то тогда вполне возможно было с теоретической точки зрения детализировано описать поведение всех частиц в ядрах. Поэтому в научном мире начала разворачиваться огромная программа исследования распределения протонов для обнаружения универсального закона сил, способного взаимодействовать с ними.

Однако после тридцатилетних усилий ничего простого так и не удалось создать.

Под словами «сложны и многогранны настолько, насколько возможно» стоит понимать, что эти величины зависят от всех элементов, от каких они могли бы зависеть:

• Во-первых, сила не обычная функция расстояния между движущимися протонами, так как на больших расстояниях существует притяжение, на меньших наблюдается обратный процесс- отталкивание. В этом случае зависимость от расстояния представляет собой некоторую сложную задачу, которая на сегодняшний день плохо изучена.
• Во-вторых, энергетическая сила напрямую зависит от начальной ориентации спина протонов. У протонов есть несколько спинов, а два взаимодействующих элемента способны вращаться либо в одном и том же, либо в противоположных направлениях. И сила, когда спины находится на параллельных сторонах, отличается от того, что бывает, когда частицы антипараллельны. Такой разницей пренебречь нельзя, так как она слишком велика.
• В-третьих, энергия в электростатике существенно изменяется, смотря по тому, параллелен или нет временной промежуток между протонами и их спинам, или же он им остается перпендикулярен.
• В-четвертых, сила, как и в классическом магнетизме, значительно сильнее зависит от скорости протонов. И такая скоростная зависимость силы является не релятивистским эффектом; она велика даже в той ситуации, когда скорости намного меньше скорости света.

Таким образом, действующие между двумя нейтронами ядерные силы всегда совпадают с силами, которые наблюдаются между протоном и нейтроном, и с силами, движущимися между двумя протонами.