Електромагнітне поле володіє енергією. Ця енергія може перетворюватися в інші види енергії. З’ясуємо яким чином вектори поля , , , визначають енергію електромагнітного поля.
Таблиця 4.1 - Енергетичні величини в теорії електромагнетизму
Назва | Позначення | Од. вимірювання (Сі) |
1. Енергія електромагнітного поля | Джоуль (Дж) | |
2. Електрична енергія | Джоуль (Дж) | |
3. Магнітна енергія | Джоуль (Дж) | |
4. Потужність | Ватт (Вт) | |
5. Потужність поглинання (потужність втрат) | Ватт (Вт) | |
6. Потужність сторонніх джерел (потужність джерел) | Ватт (Вт) | |
7. Густина енергії електромагнітного поля | ||
8. Густина електричної енергії | ||
9. Густина магнітної енергії | ||
10. Густина потужності | ||
11. Густина потужності поглинання | ||
12. Густина потужності сторонніх джерел | ||
13. Потік потужності | Вт | |
14. Густина потоку потужності |
Енергія електромагнітного поля ЕЕМП, яка знаходиться всередині об’єму V змінюється. Факторами зміни енергії являються:
а) перетворення частини ЕЕМП в інші види енергії;
б) робота сторонніх джерел, що можуть як збільшувати запас енергії, так і зменшувати його;
в) обмін енергії між виділеним об’ємом V і навколишніми його областями простору за рахунок процесу, який називається випромінюванням.
Розглянемо перший фактор. З фізики відомо, що при наявності струму в середовищі виділяється тепло. За законом Джоуля-Лєнца можна записати
.
Він визначає потужність джоулевих втрат. Застосовуючи цю формулу до нескінченного малого циліндра об’ємом , отримаємо
.
Інтегруючи цей вираз, отримаємо
. (4.1)
Підінтегральний вираз
являється густиною потужності, тобто потужність віднесена до одиниці об’єму
. (4.2)
Отриманий вираз потужності (4.1) і її густини (4.2) мають універсальний характер. Вони справедливі не тільки при розрахунку джоулевих втрат, але і в усіх випадках, коли розглядаються струми.
В залежності від напрямку руху зарядів величина густини потужності може бути як позитивної так і негативної. Заряди можуть прискорюватися полем. При цьому , і енергія у поля відбирається. Очевидно, що , якщо і антипаралельні. Це в тому випадку, якщо рух зарядів проти поля створюється якимось не електромагнітним “стороннім” процесом, який віддає свою енергію полю, яке гальмує заряди.
Розглянемо другий фактор. Дії сторонніх джерел змінюють матеріальне рівняння – закон Ома в диференційній формі :
. (4.3)
Визначимо, використовуючи (4.3), напруженість електричного поля . Поділивши цей вираз на – питому провідність, отримаємо:
. (4.4)
Помноживши праву і ліву частину (4.4) на – об’ємну густину струму провідності, отримаємо густину потужності р:
. (4.5)
Рівність (4.5) можна записати у вигляді
, (4.6)
де
. (4.7)
Густина потужності втрат в (4.7) характеризує поглинання, втрати електромагнітного процесу (перетворення в тепло, джоулева потужність). Критерій придатності: (поле віддає енергію), якщо кут між і менше .
Густина сторонніх джерел характеризує процес перетворення енергії різних видів (наприклад, хімічної, механічної) в електромагнітну. Критерій придатності: (поле набуває енергії), якщо кут між і більше (скалярний добуток менший нуля). Виникають так звані “негативні втрати”. Найбільш ефективне віддання енергії ЕМП від сторонніх джерел, коли і протилежно направлені.
Сторонні сили, як правило локалізовані. Якщо, наприклад, вони зосередженні в деякій області то згідно рівності (4.3) в і поза . Область – називається областю джерела сторонніх сил. Проінтегрувавши по об’єму V вираз (4.7), отримаємо повну потужність
.
Цю рівність можна записати у вигляді , де
(4.8)
Третій фактор буде розглянутий в п. 4.2.