De energie-inhoud van het elektrische veld

Bereken de energie-inhoud van het elektrische veld. Ga uit van een vacuüm omgeving.
Bol met elektrisch veld
Het elektrische veld van een negatieve
bolsymmetrische lading

Een elektrische lading wekt een elektrisch veld op:

Vergelijking

Dit kan ik ook iets anders opschrijven als volgt:
Vergelijking
Die 4πr2 is het oppervlak A van een denkbeeldige bol die de lading q omsluit (en waar de veldlijnen dus loodrecht doorheen gaan). Om die reden kan ik ook schrijven:
Vergelijking
En door A naar de andere kant te halen krijg ik:
Vergelijking
Gauss
Gauss

Vergelijking (4) is niets anders dan de stelling van Gauss die we hier aan het werk zien.

Stel dat ik twee vlakke platen heb, ieder met een oppervlak gelijk aan A en een afstand d van elkaar verwijderd, waarbij de ene plaat een lading +q heeft en de andere plaat een lading −q heeft, oftewel een condensator.
Condensator
Een condensator
En er bevindt zich uiteraard een elektrisch veld tussen beide platen.
Condensator
Hier kunnen we natuurlijk ook de stelling van Gauss op loslaten. Ik omsluit één plaat met een virtueel paars doosje (het omsluitende oppervlak uit de stelling van Gauss).
Grafiek
Links, rechts en onder gaan er geen veldlijnen door het paarse doosje dus daar zijn we snel mee klaar. De randeffecten van de condensator verwaarloos ik (ook al zijn er in het plaatje wel een paar kromme veldlijnen getekend aan de randen van de condensator), dus het veld is volledig homogeen, en zo vind ik heel gemakkelijk dat ook hier geldt:
Vergelijking
Waarin A het oppervlak is waar de veldlijnen (loodrecht) doorheen gaan, en dat is tevens het oppervlak van één condensatorplaat, en q is alle lading op één plaat. Ik had natuurlijk mijn ‘paarse doosje’ ook slechts een deel van de condensatorplaat kunnen laten omvatten.
Grafiek
Met het deels omvatten van de condensatorplaat omvat ik ook deels de elektrische lading op die plaat en kom ik uiteindelijk tot exact hetzelfde resultaat, maar dan is duidelijker dat ik echt wel reken met een homogeen veld.

Stel nu dat ik elektronen uit de ene plaat ga lospulken en die naar de andere plaat breng waar al een overschot aan elektronen is. Dan moet ik arbeid verrichten want die elektronen zullen afgestoten worden door de reeds aanwezige elektronen op de andere plaat (gelijksoortige ladingen stoten elkaar af). Per elektron moet ik een beetje kracht dF gebruiken om de afstand d te overbruggen en dat kost mij een beetje arbeid dW:
Vergelijking
Hierin is F de elektrische kracht waarvoor geldt:
Vergelijking
Ik neem de differentiaal:
Vergelijking
En omdat we te maken hebben met een homogeen veld is E constant en wordt vergelijking (8):
Vergelijking
Het elektrische veld E kan ik invullen vanuit vergelijking (5):
Vergelijking
En dit ga ik invullen in (6):
Vergelijking
Door deze vergelijking te integreren vind ik de totale arbeid:
Vergelijking
Deze verrichte arbeid wordt als energie toegevoegd aan het veld (of onttrokken aan het veld indien de elektrische lading de andere kant op zou bewegen). Indien ik de energie-inhoud van het veld wil weten per volume-eenheid (en dat wil ik), dan moet ik nog delen door het volume tussen de platen zijnde V = dA:
Vergelijking
Vergelijking (13) geeft de energie-inhoud per volume-eenheid van het elektrische veld. En het is een beetje verwarrend, maar de E in het linkerlid staat voor energie en de E in het rechterlid staat voor het elektrische veld.