求静电场能量的四种方法:
  • 相互作用能
  • 能量密度
  • 外力做功
  • 电容器储能
不同观点产生的原因是对静电场能量产生的不同观点

点电荷系统的静电能

n个点电荷系统

其中:是除了其它点电荷在处产生的电势
此外,1/2的系数也非常好理解;和外力做功的方法相比,此法很明显把每个电荷的作用计算了两次

连续分布电荷

  • 可以证明,点电荷在自己的位置产生的电势为无穷小量
    • 因为连续分布的带电体而言,点电荷的带电量是无穷小(并且空间上是三维的)

用相互作用能的方法推导电容器储存能量

电容器上极板电势为,下极板电势为
上极板:
下极板:
电容器总能量:

外力做功

用外力做功的方法推导电容器能量

将电荷从A板移到B板,外力做功(挪动一个微元,可以认为电势差没有改变):
因此电容器所带的静电能:

静电场的能量密度

  1. 只要电场强度不为0,则空间中电场的能量也不为0(普遍适用的结论,虽然是从平行板电容器出发推导的)
    1. 关于电场为什么是物质的解释:
      有电场,就有能量;根据爱因斯坦质能方程也就有质量
  1. 电容器的能量是全部储存在电场中的
  1. 非匀强电场,如果要计算整个带电体的总能量:

notion image
法一:相互作用能
值得注意的是:
相互作用能是所有电荷共同作用的结果
外力做功则是一层层剥离出去的
“均匀带电球体”显然不是导体球(不然还可以尝试电容器的方法),可以类比万有引力中的天体模型去做
解题思路:
 
notion image
法二:能量密度
解题思路:
求E……;积分
notion image
法三:外力做功
区别于方法一,外力做功是剩下来的电荷作用的结果
解题思路:
一层一层地把电荷移走
notion image
此外,数学层面上积分有两种方法:
  1. 直接用二重积分、三重积分
  1. 采取合适的分割方式,转化为定积分

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