Силы, действующие на проводник.

В электрическом поле на поверхность проводника, а именно здесь расположены электрические заряды, действуют со стороны поля определённые силы. Поскольку напряжённость электростатического поля на поверхности проводника имеет только нормальную составляющую, сила, действующая на элемент площади поверхности проводника, является перпендикулярной этому элементу поверхности. Выражение для рассматриваемой силы, отнесённой к величине площади элемента поверхности проводника, имеет вид:

(1)

где - внешняя нормаль к поверхности проводника, - поверхностная плотность электрического заряда на поверхности проводника. Для заряженной тонкой сферической оболочки растягивающие усилия могут вызвать напряжения в материале оболочки, превышающие предел прочности.

Интересно, что подобные соотношения были предметом исследований таких классиков науки как Пуассон и Лаплас в самом начале XIX века. В соотношении (1) недоумение вызывает множитель 2 в знаменателе. Действительно, а почему правильный результат получается делением пополам выражения ? Рассмотрим один частный случай (рис.1): пусть проводящий шар радиуса содержит на своей боковой поверхности электрический заряд . Поверхностную плотность электрического заряда рассчитать легко: Введём сферическую систему координат ( ), элемент боковой поверхности шара определим как . Заряд элемента поверхности можно вычислить по зависимости: . Суммарный электрический заряд кольца радиуса и шириной определяется выражением: . Расстояние от плоскости рассматриваемого кольца до полюса сферы (боковая поверхность шара) равно . Известно решение задачи об определении составляющей вектора напряжённости электростатического поля на оси кольца (принцип суперпозиции) в точке наблюдения, отстоящей от плоскости кольца на расстояние :

. (2)

Вычислим суммарное значение напряжённости электростатического поля, создаваемого поверхностными зарядами, исключая элементарный заряд в окрестности полюса сферы:

. (3)

Вспомним, что около заряженной проводящей сферы напряжённость внешнего электростатического поля равна

. (4)

Оказывается, сила, действующая на заряд элемента поверхности заряженного проводящего шара, в 2 раза меньше, чем сила, действующая на такой же заряд, расположенный вблизи боковой поверхности шара, но вне его.

Суммарная сила, действующая на проводник, равна

(5)

Помимо силы со стороны электростатического поля, проводник подвергается действию момента сил

(6)

где - радиус-вектор элемента поверхности dS проводника.

На практике часто оказывается более удобным силовое воздействие электростатического поля на проводник рассчитывать путем дифференцирования электрической энергии системы W. Сила, действующая на проводник, в соответствии с определением потенциальной энергии, равна

(7)

а величина проекции вектора момента сил на некоторую ось равна

(8)

где - угол поворота тела как целого вокруг рассматриваемой оси. Заметим, что приведенные выше формулы справедливы, если электрическая энергия W выражена через заряды проводников (источники поля!), а вычисление производных производится при постоянных значениях электрических зарядов.

В более продвинутых курсах электродинамики показано, что выражения (5) и (7), так же как и выражения (6) и (8), приводят к совпадающим результатам.

В качестве элементарного примера рассчитаем в отсутствие краевых эффектов силу взаимодействия пластин плоского конденсатора, заряженного до напряжения U, имеющего площадь поверхности пластин S и расстояние между пластинами . Для рассматриваемого конденсатора электрическая ёмкость определяется зависимостью: величина заряда конденсатора равна Электрическая энергия конденсатора равна

, (9)

где - условно изменяющееся расстояние между пластинами. Сила взаимодействия пластин конденсатора равна

(10)

Знак минус в ответе свидетельствует о том, что сила взаимодействия пластин плоского конденсатора стремится уменьшить расстояние между пластинами (пластины притягиваются друг к другу).