Условие
6.5.21. Заряженное тело сжали так, что все его линейные размеры уменьшились в $n$ раз. Во сколько раз увеличилась энергия электрического поля этого тела?
Решение
Разобъём наше тело на бесконечно малые области с точечным зарядом $dq$ , тогда такой заряд будет создавать электрическое поле в точке с координатой ($x$ , $y$ , $z$ ) в декартовой системе:
$$E=\frac{1}{4\pi \varepsilon_{0}}\cdot \frac{dq}{x^{2}+y^{2}+z^{2}}$$
Энергия электростатического поля равна:
$$W=\frac{1}{2}\varepsilon_{0}\int E^{2}dV$$
Элементарный объём в декартовой системе: $dV=dxdydz$ . Подставляя всё в формулу для энергии, получим:
$$W=\frac{1}{2}\varepsilon_{0}\int \left( \frac{1}{4\pi \varepsilon_{0}}\cdot \frac{dq}{x^{2}+y^{2}+z^{2}} \right)^{2}dxdydz=\frac{1}{32\pi^{2}\varepsilon_{0}}\int \left( \frac{dq}{x^{2}+y^{2}+z^{2}} \right)^{2}dxdydz \tag{1}$$
Если у нашего тела все линейные размеры уменьшить в $n$ раз, то новые координаты будут:
$$x_{1}=\frac{x}{n}\Rightarrow x=nx_{1}$$ $$y_{1}=\frac{y}{n}\Rightarrow y=ny_{1}$$ $$z_{1}=\frac{z}{n}\Rightarrow z=nz_{1}$$
Заряд тела не изменяется при сжатии. Подставим изменение координат в интеграл:
$$W=\frac{1}{32\pi^{2}\varepsilon_{0}}\int \left( \frac{dq}{x^{2}+y^{2}+z^{2}} \right)^{2}dxdydz=\frac{1}{32\pi^{2}\varepsilon_{0}}\int \left( \frac{dq}{x_{1}^{2}+y_{1}^{2}+z_{1}^{2}} \right)^{2}\cdot \frac{n^{3}}{n^{4}}\cdot dx_{1}dy_{1}dz_{1} \tag{2}$$
Энергия электростатического поля тела с новыми размерами по аналогии с (1) :
$$W_{1}=\frac{1}{32\pi^{2}\varepsilon_{0}}\int \left( \frac{dq}{x_{1}^{2}+y_{1}^{2}+z_{1}^{2}} \right)^{2}dx_{1}dy_{1}dz_{1}$$
Тогда (2) можно переписать так:
$$W=\frac{n^{3}}{n^{4}}W_{1}=\frac{W_{1}}{n}$$
Отсюда $W_{1}=n\cdot W$ - энергия увеличилась в $n$ раз.