高中物理竞赛教程：1.5《静电场的能量》
静电场的能量ppt课件
Q2
We
8π
( R1
R2
)
2
4π
R2 R1
R2 R1
讨论
（1）W e
Q2 2 C C
4π
R2 R1 （球形电容器电容） R2 R1
（2）以上为求电容器电容的第二种方法，即先求 能量，再求电容
13
例2. 一绝缘金属物体，在真空中充电达某一电势值， 其电场总能量为W0．若断开电源，使其上所带电荷
保持不变，并把它浸没在相对介电常量为 的无r
解：两球壳间的电场强度为
1Q
E 4π r2
we
பைடு நூலகம்
1 E 2
2
Q2
32 π2 r 4
R1 dr
r
R2
11
we
1
2
E2
Q2
32 π2
r4
变量
Q2
dWe wedV 8 π r 2 dr
R1 dr
r
R2
We
Q2
dWe 8 π
R 2 dr r R1 2
Q2
8π
1 (
R1
1 )
R2
12
Q2 1 1 1
E0
-0- - - - - - - - - -
Q2 W0 2C0
0 + + + + ++ + + + + + r E
-0 - - - - - - - - - - -
W
Q2
2C
Q2
2 rC0
W0
r
20
平行板电容器充电后未与电源断开 U 不变
0 ++++++++++
高二物理竞赛课件：电场的能量(共14张PPT)
球内场强：
球外场强：
Qa
解二：
电场能是以体密度定域分布在空间内的静电能。 思考: 半径为R、带电量为Q的均匀带电球面，其 静电能与球体的静电能相比，哪个大？
四维时空——洛仑兹变换的几何化
坐标变量： x, y, z, ict w
与x, y, z,量纲一致，并反映S中的符号差异 时空间隔：
P
不同惯性系——对应四维时空的 转动操作(投影变化，但时空间 隔不变)，其变换关系即洛仑兹 变换。
1.0103m处，从S观察到这两事件相距2.0103m。试问 由S 系测得此两事件的时间间隔为多少？
解：由洛仑兹变换得
解法二
E
2 0
1
(R2
x x2 )1/ 2
1.当 R x
2.当 R x
E 2 0
(R2
x x2 )1/ 2
1
R2 x2
1
2
1
1 R 2 2 x
E
2 0
1 1
1 2
R x
2
q
4 0x2
电场的能量
电场的能量
带电系统带电: 电荷相对移动外力克服电场力做功电场
能量。
一、点电荷系统的能量
q1
r
q2
电能：
n个点电荷系统的电能： 连续分布带电体的电能：
有电介质时静电场的计算 1. 根据介质中的高斯定理计算出电位移矢量
2. 根据电场强度与电位移矢量的关系计算场强
本课程只要 求特殊情况
电介质一点 —— 事件 ——“世界点” 四维时空中的线 —— 事件的进程 ——“世界线”
光锥：离开和到达某世界点的所有世界线 组成的三维曲面
光锥把xy — ct曲面分成了四个区：
高二物理竞赛电场能量和电磁场理论简介课件(共18张PPT)
I q 则 FtD 与qt I等c 也量具值有,并电流量纲 d d d 在气体动理论方面，他还提出了气体分子按速率分布的统计规律。
现对其充电,使电路上的传导电流
,若略去边缘效应, 求（1）两极板间的位移电流;（2）两极板间离开轴线的距离为
d 的点 处的磁感强度 .
1888 年赫兹的实验证实了他的预言，麦克斯韦理论奠定了经典动力学的基础，为无线电技术和现代电子通讯技术发展开辟了广阔前景。
r 注意该式右方无负号. 应如何判断
H 的方向? H
麦克斯韦方程组的积分形式
含四大方程
sD ds
B
s
ds
l E dl
l H dl
r dV
V 0
电场 高斯定理
磁场
-
B
s t ds
电场 环路定理
s( jc+ Dt ) ds 磁场
麦克斯韦认为 了解
麦克斯韦方程组的积分形式
推广后的
-
空间任一点 极板上电量从 0 —Q 作的总功为 从球心到无穷远处的电场能量 各方程的 经典电磁理论的奠基人 , 气体动理论创始人之一 . 麦克斯韦将恒定磁场的安培环路定理
0C
2C
A
q(t)
q(t)
+
B
W A Q2 Q CU 1 CU 2 1 QU
2C
2
2
忽略边缘效应，对平行板电容器有
U Ed
C 0s
d
W
1 2
0
E
2
sd
1 2
0
E
2V
能量密度
wW V
1 2
0
E
2
（适用于所有电场）
不均匀电场中 dW wdV
第五讲 静电场中的能量
r
Q2
U1 为 Q1 , Q2 1球面处电势的代数和 Q1 Q 1 Q1 在1球面处电势： Q1在2球面处电势： 4 0 r 4 0 R1
U1
4 0 R1
Q1
4 0 r
Q2
U 2 为 Q1 , Q2 2球面处电势的代数和
U j 是由 Q j 和 Q j 以外的全部电荷在 Q j 处产生的
电势，该式是导体系的总静电能。
1 n W qiVi 2 i 1
u i 是由 q i 以外的电荷在 q i处产生的电势，该式是
点电荷系总静电能的一部分------相互作用能。
4、带电电容器的储能
电容器静电能：充电过程将元电荷dq从一板搬到另一 u(t ) 板，电场力做元功：
导体球总能量
W
Q2 8 0 R
解2： 利用带电体系静电场能量公式
r R, E 0 r r, E Q 4 0 r 2
R
r
dr
作厚度为 dr 的球壳，球壳内的电场能量：
1 dW dV 0 E 2 dV 2 dV 4r 2 dr
球的总电场能量
W
R
设 带电体电量为Q，元电荷dq从无穷远整个电荷过程中 外界反抗电场力做元功：
dA udq
A dA udq
0 Q
电场力的功转化成带电体系的静电自能
W udq
0
Q
自能本质：各部分电荷之间的相互作用能，这是带电体自身 有的能量。
3、电荷连续分布的带电体系的静电能：自能&元以外的全部电荷共同产生带电导体组的总静电能
第五讲 静电场中的能量
高中物理奥林匹克竞赛专题---静电场能量与能量密度(共13张PPT)
§9. 4 静电场能量与能量密度
·1 ·
Chapter 9. 静电场中的导体与电介质 §9. 4 静电场能量与能量密度
一、静电场能量密度及能量
保持 Q 不变！板间的静电引力：
Fe
0 20
Q
1 2
EQ
Q
缓慢下移A板，外力做功： Q
dW dV
e
E2Q Sddxx
EQ 2S
E
0 0
Q 0S
,
Q S
0E
dWe dV
120E2
若充满电介质 εr ，则：
ddW Ve 12r0E2
Q Q
0 0
固定金属板 B
S
0
dV A
缓 0
F
慢
S
B
E
0 0
F
dx A
·3 ·
Chapter 9. 静电场中的导体与电介质
We
Q2 2C
1 2
QU
1 2
CU
2
☻电容器的能量是指存储在电容器内部的电场能量。
☻当 Q 一定时，We ∝ 1/C ; 当 U 一定时，We ∝ C 。
C 1 C 2
We1 We2
C 1 C2
C2
We1 We2
·10 ·
Chapter 9. 静电场中的导体与电介质 §9. 4 静电场能量与能量密度
归纳
1. 静电场能量密度：
weddW V e 1 2r0E2 E2
高二物理竞赛静电场的能量课件
把dq从无穷远处搬移到带电体上的过程.
电场力所做元功: dA电 （0 U）dq Udq
外力克服电场力所做元功: dA Udq
Q
外力克服电场力所做总功: A dA Udq 0
外力的功转化为带电体的能量:
Q
W A 0 Udq
例:平板电容器,两极板间距为d,面积为S,其中放有一层
厚度为t的均匀电介质,其相对电容率为εr,求其电容C。
解一：
A + --++ --++ - B
+
-
+ - + --++ -
+
-
+ - + --++ -
S
t
d
注意:可应用电容器的串并联规律计算电容
d S
C1
1S
d1
,
C2
2S
d2
C1
1S1
d
,
C2
2S2
d
解：
11 1
C C1 C2
放入电介质后电容增加：
C S
d
C 2L
ln RB RA
C C1 C2
C 4 RARB
RB RA
能量
We
1 2
Q2 C
1 CU 2 2
1 UQ 2
we
1 2
E 2
1 2
DE
1 2
D2
We V wedV
dV 4r2dr
dV 2rldr
且d R , 求单位长度的电容 .
解 设两金属线的电荷线密度为
E E E 2π 0 x 2π 0 (d x)
高中物理奥林匹克竞赛专题---电容-电容器-静电场的能量(共22张PPT)
Q
Q
VB
VA
步骤 1）设两极板分别带电 Q； 2）求 E；
3）求 V ；4）求 C .
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6-5 电容 电容器 静电场的能量
第六章 静电场
1 平板电容器
d
（1）设两导体板分别带电 Q
（2）两带电平板间的电场强度
+
-
+
-
E Q 0 0S
S
&#（3）两带电平板间的电势差
r
＋
＋
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6-5 电容 电容器 静电场的能量
第六章 静电场
U Q ( 1 1)
4π0 R1 R2
CU Q4π0
R1R2 R2R1
R2
C4π0R1
孤立导体球电容
＋
＋
＋
R2
＋
＋
R 1 ＋
r
＋
＋
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6-5 电容 电容器 静电场的能量
UR Edx
2R
dR 1 1
2π0 R
( )dx x dx
E
π0lnd RRπ0lnR d
oP
xdx
x
C π ε0
U ln d R
d
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6-5 电容 电容器 静电场的能量
四、静电场的能量
1.电容器的电能
第六章 静电场
6-5 电容 电容器 静电场的能量
第六章 静电场
一 孤立导体的电容
单位
C Q V
1F1C/V
1μF106F
1pF1012F
例如 孤立的导体球的电容
南师附中物理竞赛讲义 11.4静电场的能量
11.4静电场的能量一、电容器的静电能研究电容器的充电过程。
一开始电容器的电势差很小，搬运电荷需要做的功也很小，充电后两板间电势差增加，搬运电荷越来越困难，需要做的功变多。
可以看成是一个变力（变电势差）做功问题。
图像法用面积表示做功。
画Q -U 图像还是U -Q 图像？22111222Q E QU CU C=== 电容器充电过程中，电荷和能量均由电源提供。
在电源内部，可以看成是正电荷从负极移动到正极。
由于电源电动势（即电压）不变，克服电场力做功为：W QU =在电容器充电过程中电源消耗的能量和电容器增加的静电能不相等！思考：两者是否一定是两倍的关系？多余的电能消耗在电路中（定性解释）例1、极板相同的两个平行板电容器充以相同的电量，第一个电容器两极板间的距离是第二个电容器的两倍。
如果将第二个电容器插在第一个电容器的两极板间，并使所有极板都相互平行，问系统的静电能如何改变。
例2、平行板电容器C 接在如图所示电路中，接通电源充电，当电压达到稳定值U 0时，就下列两种情况回答，将电容C 的两极板的距离从d 拉到2d ，电容器的能量变化为多少?外力做功各是多少?并说明做功的正负(1)断开电源开关．(2)闭合电源开关．例3、图中所示ad为一平行板电容器的两个极板，bc是一块长宽都与a 板相同的厚导体板，平行地插在a、d之间，导体板的厚度bc=ab=cd.极板a、d与内阻可忽略电动势为E的蓄电池以及电阻R相连如图．已知在没有导体板bc时电容器a、d的电容为C0 ,现将导体板bc抽走，设已知抽走导体板bc的过程中所做的功为A，求该过程中电阻R上消耗的电能．例4、如图所示，电容器C可用两种不同的方法使其充电到电压U=NE。
（1）开关倒向B位置，依次由1至2至3∙∙∙∙∙∙至N。
（2）开关倒向A位置一次充电使电容C的电压达到NE。
试求两种方式充电的电容器最后储能和电路上损失的总能量。
（电源内阻不计）例5、在图所示电路中，三个电容器C 1、C 2、C 3，的电容值均为C ，电源的电动势为E,R 1、R 2为电阻，S 为双掷开关．开始时，三个电容器都不带电，先接通S a ．再接通S b ．再接通S a ，再接通S b ……如此多次换向，并使每次接通前都已达到静电平衡．试求：(1)当S 第n 次接通b 并达到平衡后，每个电容器两端的电压各是多少?(2)当反复换向的次数无限增多时，在所有电阻上消耗的总电能是多少?二、能量与能量密度注意：电能是分布在空间中的电场所具有的，而不是带电体具有的。
静电场的能量课件
3
能量释放
通过放电，电容器可以释放储存的能量，将静电能转化为其他形式的能量。
电势的计算
点电荷 连续分布 多个电荷
电势V = k * q / r 电势V = ∫(k * dq) / r 电势V = Σ(k * q) / r
应用举例
范德格拉夫发生器
范德格拉夫发生器利用静电场 产生高电压来实现静电示波和 电荷分离等实验。
闪电
闪电是由大气中的静电放电所 产生的，形成令人震惊的光和 声现象。
日常生活中的静电
静电在日常生活中有许多应用， 如防静电地毯、喷墨打印机、 带有静电贴纸的玩具等。
静电能
1 定义
静电能是电荷在电场中 具有的能量，与电荷量 和电势差有关。
2 电场能量
3 储能器
电场能量可以通过电场 能量密度来计算，它是 单位体积内的电场能量。
电容器是储存静电能的 一种设备，可以通过累 积和释放电荷来储存和 释放能量。
静电势能
电荷分布
静电势能由电荷的分布和电势 差决定，与电场中的电荷位置 有关。
Байду номын сангаас电势差
电势差是从一个位置移动单位正电荷所需的 功，与静电场的能energy有关。
库仑定律
定律表述
库仑定律描述了两个电荷之 间的作用力与它们的电荷量 和距离的平方成反比。
数学表达
库仑定律公式为F = k * (q1 * q2) / r^2，其中F是作用力， q1和q2是电荷量，r是距离。
应用举例
库仑定律可以解释电子和原 子核之间的静电吸引力和排 斥力，以及导体和绝缘体之 间的电荷作用。
静电场的能量PPT课件
静电场是指由静止的电荷所产生的包围其周围的能量场。静电场具有很多重 要的特性和应用，让我们一起深入了解。
2020年高中物理竞赛辅导课件：电磁学(静电场中的导体和电介质)05静电场的能量(共13张PPT)
全国高中生物理学奥林匹克竞赛
普通物理学
（含竞赛真题练习）
§2.6 静电场的能量(Energy of Electrostatic Field) 1.带电电容器的能量
充电时,电源做功→电容器的静电能；放电 时,能量C
B
放电： t=0
+Q (-Q)
t—t+t
Note: W → C , 也是计算电容的一种方法.
[例2-9] 电容为C的电容器,极板上带电量Q. 将
其与另一不带电的相同电容器并联,则
该电容器组的静电能W=
.
解：
C
+Q -Q
并联后, 总带电量为 C Q, 总电容为 2C
W=Q2/4C
[思考] 为什么静电能变小了？
+q -dq
(-q)
电场力做功：
dA (dq)(V V )
(dq) q C
A 1
0
qdq
Q2
CQ
2C
带电电容器的静电能：
W
Q2 A
1 CU 2
1 QU
2C 2
2
2.静电场的能量 充电与放电→极板间电场产生与消失 场的观点：静电能储存于电场中
W 1 CU 2 1 0r S (Ed )2 DE Sd
2
2d
2
电场的能量密度(单位体积中的能量)：
w DE 2
电场的能量：
(对任何电场都成立)
W wdV
[例2-8] 金属球半径R,带电量Q,求其静电能. 解： [解法一] 视为带电电容器：
W Q2 Q2
2C 80R
[例2-8] 金属球半径R,带电量Q,求其静电能. 解： [解法二]计算静电场的能量：
高二物理竞赛课件：静电场的能量和能量密度
3 球形电容器 ：自己推导。
球形电容器： 两个同心金属球壳组成中间充满电介质
已知: RA, RB ,
板间电场是球对称的
VAB
RRABEdr
Q 4
RRAB
1 r2
dr
假定电容器带电+Q，-Q；
板间电场：
E
Q 4r 2
Q ( 1 1 ) Q(RB RA ) 4 RA RB 4RARB
方向：沿半径向外
4r 2dr
1 2
0R E12 dr R E22 dr
又：若当成球形电容器,
用
W
Q2 2C
求电场能，行吗？
不行！（因球形电容器R内部无场）
②求带电介质柱体的电场能？ 思考：平板电容器中各量
原理同上
的变化。
V
外力 F
Q
（柱体内外 均有电场能！）
q q
E
③ 柱形电容器的电场能？ s 0
D
Vab
dS
ab
E
qi dl
（4）根据 C= Q/U 求电容。
例.半径都是a的两根平行长直导线相距为d，（d>>a） 求单位长度的电容。 解：假定导线表面单位长度带电
+、- ， P点的场强：
E
20 x 20(d x)
(1 1 ) 20 x d x
U
d a a
Edx
20
ln
x
ln(d
x)da
a
ln d a 0 a
ln d 0 a
单位长度的电容：C
Q U
1 ln d 0 a
0 ln(d )
a
电容器的串、并联
电容器的主要性能指标：C、U （ 耐压能力）
高二物理竞赛课件：静电场的能量(1)
在电容器充电过程中,设某时刻两极板间的电压 为UAB , 在外力作用下持续地将 dq 电量从负极板移 到正极板时，外力因克服静电场力作的功为：
dA
U
AB dq
1 C
qdq
+++++++++
+
- - - - - - - - - dq
所以在电容器中储存的能量为：
5
因为电容器中的电量、场强和电压分别为
静电场的能量
1
一个物体带了电就说它具有了静电能。
分析带电体的带电过程：物体所带电量 是由众多电荷元聚集而成的，是蚂蚁搬 家式的。
这种聚集过程是需要外界做功的。
外界所作的总功必定等于带电体系电 势能的增加。
2
一个带电体系所具有的静电能就是该体系 所具有的电势能，它等于把各电荷元从无限 远离的状态聚集成该带电体系的过程中，外 界所作的功。
例：一个半径为R，带电荷为q的金属球浸没在电容率
为 的无限大均匀电介质中，求空间的电场能量。
解：因为球内没有电场，电场能
为零，由高斯定理求得球外的电
场强度为
S D dS q
即
4r2 D = q
q
解得电感应强度为 D 4 πr 2
r
qR
S
该处的能量密度为
8
在半径为 r 与 r+dr 之间的球壳的能量为 空间的总能量为
Q = S = E S , E=E0 /r= / , UAB = Ed
由此可以求得电容器 中静电能量
电容器中静电能的 能量密度
6
对于非匀强电场，在体
元d 内的电场能量为
dWe
we d
《静电场的能量》课件
随着电场能量的传输距离增加，由于能量损失，效率会逐渐降低。
电场能量的效率与介质性质有关
不同介质的电导率、介电常数等参数不同，对电场能量的传输和损失影响不同，从而影响 效率。
提高电场能量效率的方法
通过优化电场结构、选择合适的传输介质等方式，可以降低电场能量的损失，提高传输效 率。
静电场能量的未来发展方向
基础理论研究
深入研究静电场的能量产生、储存和转换机制， 探索提高能量转换效率的途径。
交叉学科研究
加强与其他学科领域的交叉融合，如化学、生物 医学等，拓展静电场能量的应用领域。
技术革新与突破
推动静电场能量相关技术的创新发展，如新型静 电储能器件、高效静电转换技术等。
THANKS
电场能量的传输方式
01
电场能量通过电场线传输
电场线是描述电场分布的几何线，电场能量沿着电场线方向传输。
02
电场能量传输与电荷分布相关
电荷在静电场中受到力的作用，从而在电场中移动，将电场能量传递到
其他区域。
03
电场能量的传输速度接近光速
在静电场中，电场能量的传输速度接近光速，这是因为电场能量的传递
是通过电场线的传播实现的，而电场线的传播速度接近光速。
感谢观看
电场能量的损失机制
电场能量的损失与介质有关
当电场能量通过介质时，会与介质中的分子相互作用，导致能量 的损失。
电极化效应引起的能量损失
当电场作用于介质时，介质中的分子会发生电极化现象，从而吸收 部分电场能量。
热效应引起的能量损失
电场作用在介质上时，会导致介质温度升高，从而消耗部分电场能 量。
电场能量的效率分析
电场能量的定义
高二物理竞赛静电场的能量和能量密度课件
6-5 静电场的能6量和-能5量密度静电场的能量和能量密度
2
物理学
第五版
*6-6 电容器的充放电 *6-7 静电的应用
本章目录
3
6-0 教学基本要求
一 掌握静电平衡的条件，掌握导 体处于静电平衡时的电荷、电势、电场分 布. 二 了解电介质的极化机理，掌握电 位移矢量和电场强度的关系.理解电介质中 的高斯定理，并会用它来计算电介质中对 称电场的电场强度.
_
_
_
11
解
E 2πε0r
(R1rR2)
Eb
max
2π ε0R1
U
R2 dr
2 π ε 0 R1 r
ln R 2 2 π ε0 R1
-+
l
-
+ +
R1
- + R2
_
_
_
_ _
++++++++
_
_
_
12
U lnR2
2πε0 R1
单位长度的电场能量
We 12U4π2ε0
lnR2 R1
Eb
2 32π εr 的电场能量为多少？
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
的电介质，问此电容器贮存
三 掌握电容器的电容，能计算常见电容器的电容. 例2 圆柱形空气电容器中，空气的击穿场强是Eb=3
106 V·m-21 ，设导体圆筒的外半径R2= 10-2 m .
Q + + + + + + + + +
dWwdV dr 一
静电场的能量
静电场的能量静电场是由带电粒子或物体周围的电场引起的一种现象。
静电场能量是指由静电场所包含的能量。
一、静电场的基本概念和特性静电场是由电荷之间的相互作用形成的，并且与电荷的位置关系也有关。
在静电场中，电荷会产生电场，而这个电场也会对其他电荷产生作用力。
静电场的特性有以下几点：1. 静电场的力是作用在电荷上的，而非自身的静电场或电荷本身。
2. 静电场的力是由电荷之间的相互作用引起的，其大小与电荷的数量和距离有关。
3. 静电场是一个矢量场，具有方向和大小。
4. 静电场的能量分布不均匀，通常集中在离电荷较近的地方。
二、静电场能量的计算静电场的能量可以通过以下公式进行计算：E = (1/2) * ε * V^2其中，E表示静电场的能量，ε表示真空介电常数，V表示电场的电压。
静电场的能量与电场的电压平方成正比，而与电场的介电常数成正比。
因此，当电场的电压或介电常数增加时，静电场的能量也会增加。
三、静电场能量的应用静电场的能量在现实生活中有广泛的应用。
以下列举几个例子：1. 静电能量在静电喷涂中的应用：静电喷涂是一种利用静电场将涂料均匀喷涂在物体表面的技术。
通过给喷涂液体带上电荷，使其在喷枪离开物体表面时形成一个带电雾状的状态，然后利用静电场将涂料吸附在物体表面上，从而实现均匀喷涂。
2. 静电能量在电子设备中的应用：静电场能够对微小的物体产生引力或斥力，这一特性被应用在电子设备中，如打印机、复印机等。
通过静电场的作用，可以将墨粉、纸张等粘附在特定位置，实现打印或复印的功能。
3. 静电能量在高压输电中的应用：在高压输电线路中，由于导线带有电荷，会形成强大的静电场。
这种静电场的能量会导致电线周围的空气分子离子化，形成电晕放电现象。
因此，在高压输电线路中需要采取相应的措施来减少静电场的能量损耗，提高输电效率。
综上所述，静电场能量是由静电场所包含的能量。
通过计算静电场能量的公式可以了解到静电场能量与电场的电压平方和介电常数的关系。
高中物理奥赛之电磁学—1.5静电场的能量
§1、5 静电场的能量1．5．1、 带电导体的能量一带电体的电量为Q ，电容为C ，则其电势C QU =。
我们不妨设想带电体上的电量Q ，是一些分散在无限远处的电荷，在外力作用下一点点搬到带电体上的，因此就搬运过程中，外力克服静电场力作的功，就是带电体的电能。
该导体的电势与其所带电量之间的函数关系如图1-5-1所示，斜率为C 1。
设每次都搬运极少量的电荷Q ∆，此过程可认为导体上的电势不变，设为i U ，该过程中搬运电荷所做的功为Q U W i i ∆=，即图中一狭条矩形的面积（图中斜线所示）因此整个过程中，带电导体储存的能量为∑∑∆==Q U W W i i其数值正好等于图线下的许多小狭条面积之和，若Q ∆取得尽可能小，则数值就趋向于图线下三角形的面积。
2221221CU C Q QU Q U W i ===∆=∑上述带电导体的静电能公式也可推广到带电的电容器，因为电容器两板间的电势差与极板上所带电量的关系也是线性的。
1．5．2、 电场的能量由公式221CU W =，似乎可以认为能量与带电体的电量有关，能量是集中在电荷上的。
其实，前面只是根据功能关系求得带电导体的静电能，并未涉及能量的分布问题。
由于在静电场范围内，电荷与电场总是联系在一起的，因此图1-5-1电能究竟与电荷还是与电场联系在一起，尚无法确定。
以后学习了麦克斯韦的电磁场理论可知，电场可以脱离电荷而单独存在，并以有限的速度在空间传播，形成电磁波，而电磁波携带能量早已被实践所证实。
因此我们说，电场是电能的携带者，电能是电场的能量。
下面以平行板电容器为例，用电场强度表示能量公式。
k Sd E d E kd S CU W πεπε8421212222=⋅==单位体积的电场能量称为电场的能量密度，用ω来表示k E V W πεω82==上式是一个普遍适用的表达式，只要空间某点的电场强度已知，该处的能量密度即可求出，而整个电场区的电场能量可以通过对体积求和来求得。
课件：静电场的能量
距从 l 拉大到 l+d ，求外力作功 A，和电场能量的增量。
解：拉力
F qE q 2 0
q
q q
将极板拉开时外力作的功为
A q d q2 d 20 20S
电容器拉开后，其电能为
W q2
q2
2C 20S /(l d)
q2 (l d )
2 0 S
q2 l q2 d
20S 20S
下的 , E ,U , D, C ,We
解：①断开电源后，插入 介质；
1.充电后断开电源 极板上电量不变，
2.介质中场强
0
E E0
r
0 0
r
d
K
U 05
3.电压 U 0 E 0d
插入介质后 U Ed
4.电位移矢量 真空时
D0
E0 d
r
0
U0
r
0
0
插入介质后
D
0rE
0r
E0
r
0E0
0
D0
F ld
W0 A 外力作正功，电容器能量增加。
11
解： ①极板间作高为 h 半径为 r h
r
R2
r
的高斯柱面，
由介质中高斯定理：
D
dS
q 0
D2rh h, D
2r
场强 E D
0r 20rr
9
②极间电压
U12
R2
E
dl
R1
R2
R1
Edr
③单位长度电容
R2
R1
2 0
r
dr r
2 0 r
ln
R2 R1
h 长电容 C h 20rh
高中物理竞赛名校冲刺讲义设计—第五章静电场第四节电容静电场能量
2021高中物理竞赛江苏省苏州高级中学竞赛讲义第五章静电场§电容静电场的能量一、电容电容器：由两个用电介质〔绝缘体〕隔开的金属导体组成，它是一种常用的电工和电子元件。
描述电容器的两个指标是电容和耐压。
几种常见电容器及其符号：P85电容q定义CU1电容是反映电容器本身性质的物理量；〔电容的大小仅与导体的形状、相对位置、其间的电介质有关。
与所带电荷量无关。
〕电容是描述电容器容纳电荷或储存电能的物理量；单位：法拉〔F〕例5-6求平行板电容器的电容。
两极板相对的外表积为S，极板间的距离为d。
S：sd+-求：c=?qS +-解：设两极板分别带电+-Eq+-两极板间的电场强度0S +-q0q 两极板间的电势差U Edqd0Sq0SCUd二、电介质对电容器的影响当电容器两极板间充满某种均匀电介质时，电容将增大。
真空中的电容C r C0介质中的电容Cr0Sd相对电容率r1电容率0r讨论：电容器中充电介质的好处是增大电容量，还可提高耐压。
电介质的击穿假设电介质中的场强很大，电介质分子的正负电荷有可能被拉开而变成可自由移动的电荷。
大量自由电荷的产生，使电介质的绝缘性能破坏而成为导体，称为电介质的击穿三、电容器的电能当电容器带电后，同时也储存了能量。
因静电能和具体带电方式无关，以下面方法给电容器带电：0dq2dq q q+dq Q⋯-q ⋯E0-dq-2dq-(q+dq)-Qt=0t=t以平板电容器为例，其电容量为C。
自t=0开始，每次自下极板把微量电荷dq移至上极板，电容器间电场逐渐加大，除第一次外，每次移动外力都要克服静电力作功。
至t时刻，电容器已带电q，此时假设再移动dq，外力作功为dAUdq q dqC最后，使电容器带电Q，那么外力作功共为A1QqdqQ2Q C2CCU外力作的功全部储存在电容器中。
电容器储能W e Q211CU2还可有2C2QU2注意:大电容千万不能摸指极板处。
应用：(1)照相机闪光灯(2)心脏起搏器四、静电场的能量能量密度电场的能量电容器的能量是储存在电容器的电场中。
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§1、5 静电场的能量
1．5．1、 带电导体的能量
一带电体的电量为Q ，电容为C ，则其电势C Q
U =。
我们不妨设想带电体上
的电量Q ，是一些分散在无限远处的电荷，在外力作用下一点点搬到带电体上的，因此就搬运过程中，外力克服静电场力作的功，就是带电
体的电能。
该导体的电势与其所带电量之间的函数关系如
图1-5-1所示，斜率为C 1。
设每次都搬运极少量的电荷
Q ∆，此过程可认为导体上的电势不变，设为i U ，该过程中搬运电荷所做的功为Q U W i i ∆=，即图中一狭条矩形的面积（图中斜线所示）因此整个过程中，带电导体储存的能量为
∑∑∆==Q U W W i i
其数值正好等于图线下的许多小狭条面积之和，若Q ∆取得尽可能小，则数值就趋向于图线下三角形的面积。
2
221221CU C Q QU Q U W i ===∆=∑
上述带电导体的静电能公式也可推广到带电的电容器，因为电容器两板间的电势差与极板上所带电量的关系也是线性的。
1．5．2、 电场的能量 由公式2
21CU W =，似乎可以认为能量与带电体的电量有关，能量是集中在
电荷上的。
其实，前面只是根据功能关系求得带电导体的静电能，并未涉及能量
的分布问题。
由于在静电场范围内，电荷与电场总是联系在一起的，因此电能究
图1-5-1
竟与电荷还是与电场联系在一起，尚无法确定。
以后学习了麦克斯韦的电磁场理论可知，电场可以脱离电荷而单独存在，并以有限的速度在空间传播，形成电磁波，而电磁波携带能量早已被实践所证实。
因此我们说，电场是电能的携带者，电能是电场的能量。
下面以平行板电容器为例，用电场强度表示能量公式。
k Sd E d E kd S CU W πεπε8421212222=⋅==
单位体积的电场能量称为电场的能量密度，用ω来表示
k E V W πεω82
==
上式是一个普遍适用的表达式，只要空间某点的电场强度已知，该处的能量密度即可求出，而整个电场区的电场能量可以通过对体积求和来求得。
1．5．3、电容器的充电
如图1-5-2所示，一电动势为U 的电源对一电容为C 的电容器充电，充电完毕后，电容器所带电量
CU Q =
电容器所带能量
2
21CU W =
而电源在对电容器充电过程中，所提供的能量为
W CU QU W 22==='
也就是说，在充电过程中，电容器仅得到了电源提供的一半能量，另一半能量在导线和电源内阻上转化为内能，以及以电磁波的形式发射出去。
例7、用N 节电动势为ε的电池对某个电容器充电，头一次用N 节电池串联后对电容器充电；第二次先用一节电池对电容器充电，再用两节串联再充一次，
再用三节串联再充……直到用N 节串联充电，哪一种方案消耗电能多？
解： 第一次电源提供的能量()εN Q W =，电容器储能()εN Q E 21=，消耗的
能量 ()()22121εεN C N Q E W E ==-=∆。
第二次充电时，电容器上电量从0→Q 1→Q 2→Q 3……而
εC Q =1 )2(2εC Q = )3(3εC Q =
电源每次提供能量为
211εεεC Q Q W =∆=∆= ()211222222εεεC Q Q Q W =-=∆⋅=
…………
()211εεNC N Q Q W N N N =-=-
()()2
2121321εεC N N N C W W +=+⋯+++='='∑
消耗的能量 N E CN E W E /212∆==-'='∆ε
显然，前一种方案消耗能量多，实际上，头一种方案电源搬运电量Q 全部是在电势差εN 条件下进行的。
第二种方案中，只有最后一次搬运电量()1--N N Q Q 是在电势差εN 下进行的，其余1-N 是在小于εN 下进行的。