12. Потенциал поля точечного заряда и поля электрического диполя.

Потенциал φ является энергетической характеристикой электростатического поля.

Работа A₁₂ по перемещению электрического заряда q из начальной точки (1) в конечную точку (2) равна произведению заряда на разность потенциалов (φ₁ – φ₂) начальной и конечной точек: 

A12 = Wp1 – Wp2 = qφ1 – qφ2 = q(φ1 – φ2).

В Международной системе единиц (СИ) единицей потенциала является вольт (В). 

1 В = 1 Дж / 1 Кл.

Во многих задачах электростатики при вычислении потенциалов за опорную точку (0) удобно принять бесконечно удаленную точку. В этом случае понятие потенциала может быть определено следующим образом:

Потенциал поля в данной точке пространства равен работе, которую совершают электрические силы при удалении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность.

Потенциал φ_∞ поля точечного заряда Q на расстоянии r от него относительно бесконечно удаленной точки вычисляется следующим образом: 

Как следует из теоремы Гаусса, эта же формула выражает потенциал поля однородно заряженного шара (или сферы) при r ≥ R, где R – радиус шара.

Рассмотрим систему двух точечных электрических зарядов и , произвольным образом расположенных в пространстве на расстоянии друг от друга. Такую систему зарядов назовем

Рис. 2.1. Электрический диполь

     электрическим диполем. Из точки расположения отрицательного заряда в точку расположения положительного заряда проведем вектор (Рис. 2.1). Электрическим моментом диполя (дипольным моментом) назовем физическую величину

     

(2.1)

     Понятие "электрический диполь" широко используется в электродинамике. Изучим свойства описанной системы.

      Электрический диполь создает вокруг себя электрическое поле, которое нетрудно рассчитать с использованием принципа суперпозиции. Однако на расстояниях, значительно превышающих размер диполя, электростатическое поле обладает некоторыми характерными свойствами, представляющими интерес для дальнейшего изложения предмета.

Рис. 2.2. Поле электрического диполя

      Рассмотрим физическую ситуацию, изображенную на рис. 2.2. Здесь - точка наблюдения, и - векторы, проведенные из точек расположения соответствующих зарядов в точку наблюдения, вектор описан выше.

      Рассчитаем значение потенциала электростатического поля в точке наблюдения в предположении, что потенциал бесконечно удаленной точки пространства равен нулю и . Ниже под величинами будем понимать модули соответствующих векторов. Точное выражение для потенциала в точке имеет вид:

     

.

(2.2)

     Векторы и связанны между собой зависимостью

     

,

(2.3)

     что позволяет переписать выражение (2.2) в форме:

     

.

(2.4)

     В полученном выражении опустим член как малую величину и опустим индекс "+" у модуля соответствующего вектора:

     

     С учетом обозначения (2.1) получаем:

     

,

(2.5)

     где - угол между вектором и направлением на точку наблюдения . Заметим, что если сравнивать между собой потенциал поля точечного заряда и потенциал поля диполя, легко увидеть, что потенциал поля диполя убывает с расстоянием быстрее, чем потенциал поля точечного заряда.

      Напряженность электростатического поля в точке наблюдения можно было бы вычислить, используя зависимость , но вычисление градиента скалярного произведения требует привлечения довольно громоздкой формулы векторного анализа, поэтому используем прямое вычисление:

     

.

(2.6)

     Аналогично предыдущему воспользуемся тем обстоятельством, что :

     

     Упрощение последнего выражения с учетом малости приводит к соотношению:

     

(2.7)

     где , имеет то же значение, что и выше. Если ограничиться направлением, перпендикулярным направлению дипольного момента ( ), то становится очевидным, что величина напряженности электрического поля диполя в дальней зоне убывает с расстоянием быстрее, чем убывает величина напряженности поля, образованного одиночным точечным зарядом.