Статью подготовили специалисты образовательного сервиса Zaochnik
Энергия электрического диполя во внешнем поле
- 21 декабря 2023
- 5 минут
- 672
Перейдем к рассмотрению жесткого диполя, то есть диполь, который имеет неизменяющееся расстояние между зарядами . Следует определить значение потенциальной энергии, которую имеет диполь со внешнем электростатическим полем. При нахождении заряда в точке поля с потенциалом , его потенциальная энергия определяется по формуле:
Отсюда энергия диполя равняется:
- потенциалы внешнего поля в точках нахождения зарядов . Убывание потенциала электростатического поля происходит линейно при однородном направлении вектора напряженности поля. Если направить ось вдоль поля, как изображено на рисунке , тогда получаем:
Рисунок
Из рисунка видно, что изменение потенциала от до происходит на отрезке .
Электрический момент диполя и его потенциальная энергия во внешнем электрическом поле
- электрический момент диполя. Формула не учитывает энергию взаимодействия зарядов диполя. Она была получена при условии однородности, но подходит и для использования при вычислении значений неоднородного поля.
Необходимо рассмотреть диполь, находящийся в неоднородном поле, симметричном относительно . Объяснить, как будет вести себя диполь в таком поле с точки зрения действующих на него сил.
Решение
Предположим, что центр диполя лежит на оси , как показано на рисунке . Тогда угол между плечом диполя и осью равняется . Из условия видно, что . На диполь будет действовать вращательный момент и сила, стремящаяся переместить диполь по оси .
Рисунок
Для нахождения модуля этой силы применяются формулы:
.
Опираясь на уравнение для потенциальной энергии диполя, получаем:
.
Обозначим, что .
Для точек, располагаемых на оси :
Если , то диполь начинает втягиваться в область более сильного поля. При .
Когда , т.е. производная потенциальной энергии дает проекцию силы на соответствующую ось, тогда производная выражения выдает проекцию вращательного момента на ось:
.
Ответ: Наличие отрицательного результата говорит о том, что момент стремится уменьшить угол между электрическим моментом диполя и вектором напряженности поля. Стремление диполя в электрическом поле стремится повернуться таким образом, чтобы электрический момент диполя стал параллельным полю . При вращающий момент также равняется нулю, но такое равновесие считается неустойчивым.
Вычисление потенциальной энергии диполя, соответствующего положению устойчивого равновесия
Даны два диполя на расстоянии . Их оси располагаются на одной прямой. Электрические моменты равняются и . Произвести вычисление потенциальной энергии любого диполя, которая будет соответствовать положению устойчивого равновесия.
Решение
Нахождение системы в равновесном состоянии обусловлено ориентированностью диполей вдоль поля противоположными по знаку зарядами друг к другу, как показано на рисунке .
Рисунок
Предположим, что поле создает диполь с моментом , то следует заняться поиском потенциальной энергии диполя, обладающей электрическим моментом в точке поля на расстоянии от первого диполя. Его плечи малы по сравнению с расстоянием между диполями . Разрешено принимать их в качестве точечных, то есть нахождение диполя с моментом в точке . Напряженность поля, создаваемая диполем на его оси в точке , по модулю равняется (при ):
.
Выражение потенциальной энергии диполя с моментом в точке выражается формулой:
.
Векторы напряженности и электрического момента диполя сонаправлены в состоянии устойчивого равновесия. Поэтому потенциальная энергия второго поля выражается как:
.
Ответ: потенциальные энергии диполей равняются .