3.3. Потенциал электростатического поля

Работа электростатических сил совершается за счет убыли потенциальной энергии, которой обладал заряд в начальной и конечной точках поля заряда q:

. (5)

Потенциальная энергия заряда в поле заряда q:

. (6)

При , и С = 0.

Итак: потенциальная энергия заряда в поле заряда q на расстоянии r от него:

. (7)

Отношение не зависит от заряда и является энергетической характеристикой электростатического поля.

. (8)

Потенциал электростатического поля – это скалярная физическая величина, определяемая потенциальной энергией единичного положительного заряда, помещенного в данную точку поля.

Единица потенциала:

1 вольт – потенциал такой точки поля, в которой заряд в 1 Кл обладает потенциальной энергией 1 Дж.

Потенциал поля точечного заряда:

, (9)

r – расстояние от данной точки до заряда q, создающего поле, – электрическая постоянная.

Принцип суперпозиции (наложения) электростатических полей: если поле создается системой n точечных зарядов , ,… , то потенциал поля системы зарядов равен алгебраической сумме потенциалов полей всех этих зарядов:

. (10)

Из формул (5), (8) и (9) следует, что работа, совершаемая силами электростатического поля при перемещении заряда из точки 1 в точку 2 может быть представлена в виде:

. (11)

Работа по перемещению заряда равна произведению перемещаемого заряда на разность потенциалов в начальной и конечной точках.

Таким образом, разность потенциалов двух точек 1 и 2 в электростатическом поле определяется работой, совершаемой силами поля, при перемещении единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2:

. (12)

Работа сил поля при перемещении заряда из точки 1 в точку 2 может быть записана в виде:

, (13)

тогда

. (14)

Интегрирование можно проводить вдоль любой линии, соединяющей точки 1 и 2, так как работа сил электростатического поля не зависит от траектории.

Если перемещать заряд из произвольной точки за пределы поля, т.е. в бесконечность, где потенциал , то работа сил электростатического поля, согласно (11): , откуда:

. (15)

Таким образом, потенциал – физическая величина, определяемая работой сил поля по перемещению единичного положительного заряда при удалении его из данной точки в бесконечность.

Эта работа численно равна работе, совершаемой внешними силами (против сил электростатического поля) по перемещению единичного положительного заряда из бесконечности в данную точку поля. Работа внешних сил положительна, работа электростатических сил – отрицательна.

3.4. Напряженность как градиент потенциала (связь между и φ)

Напряженность – силовая характеристика электростатического поля.

Потенциал φ – энергетическая характеристика электростатического поля.

Работа по перемещению единичного точечного положительного заряда из одной точки в другую вдоль оси , при условии, что точки расположены бесконечно близко друг к другу и

равна:

. (16)

Та же работа может быть выражена как:

. (17)

Приравняв выражения (16) и (17), получим:

,

где дифференцирование производится по х.

Аналогично:

;

.

Умножим выражения

(18)

на орты , , и сложим уравнения (18) между собой ( , , - единичные векторы координатных осей x, y и z.)

В результате сложения уравнений и, переходя к частным производным, получим:

; (19)

. (20)

Градиент потенциала – это скорость изменения потенциала в пространстве. Знак «» показывает, что вектор напряженности направлен в сторону убывания потенциала!

Таким образом, напряженность поля равна градиенту потенциала со знаком «» (cвязь между напряженностью и потенциалом φ).

Эквипотенциальные поверхности. Для графического изображения распределения потенциала электростатического поля пользуются эквипотенциальными поверхностями. Это поверхности, во всех точках которых потенциал φ электростатического поля имеет одно и тоже значение.

Например: Потенциал поля точечного заряда

.

Эквипотенциальные поверхности в данном случае представляют собой сферы. Линии напряженности – радиальные прямые, перпендикулярные эквипотенциальным поверхностям. На рис. 3.2 изображены линии напряженности (сплошные линии) и сечения эквипотенциальных поверхностей (штриховые линии) поля положительного точечного заряда.

Рис. 3.2

Вектор всегда нормален к эквипотенциальным поверхностям!

Эквипотенциальных поверхностей вокруг каждого заряда и каждой системы зарядов можно провести бесчисленное множество. Обычно их проводят так, чтобы разности потенциалов между любыми двумя соседними эквипотенциальными поверхностями были одинаковы. Тогда густота эквипотенциальных поверхностей характеризует напряженность поля в разных точках. Там, где эти поверхности расположены гуще, напряженность поля больше.