3. Робота в електричному полі. Різниця потенціалів

Потенціал електричного поля (φ) - скалярна енергетична характеристика поля, що визначається відношенням потенціальної енергії W_n позитивного заряду q в даній точці поля до величини цього заряду: ,

де потенціальна енергія взаємодії зарядів визначається:

Одиниця потенціалу – вольт, .

Потенціал електричного поля визначають відносно довільно вибраного нульового рівня. На практиці найчастіше за нульовий рівень беруть потенціал точки, що знаходяться у нескінченності (теоретична фізика) або на поверхні Землі (електротехніка).

Еквіпотенціальні поверхні — геометричне місце точок в електричному полі, які мають однаковий потенціал (мал. 72). — один з методів наочного зображення електричних полів. Силові лінії завжди перпендикулярні до еквіпотенціальних поверхонь.

Електричне поле може виконувати роботу по переміщенню заряду. Тому потенціал електричного поля визначається також роботою, яку виконує поле, переміщуючи одиничний позитивний заряд q з даної точки поля в нескінченність (або на поверхню Землі):

.

Робота сил електростатичного поля під час руху електричного заряду по будь-якій замкненій траєкторії дорівнює нулю. Поля, які мають таку властивість, називаються потенціальними. ( Гравітаційне і електростатичне поле – потенціальні).

Робота електричних сил залежить не від абсолютних значень потенціалів, а від їх різниці, яка не за­лежить від вибору нульового рівня, на практиці частіше користуються поняттям різниці потенціалів (електричної напруги):

.

Напруга (U) – це величина, яка визначається роботою електричного поля по переміщенню одиничного позитивного заряду між двома точками поля: .

Одиниця різниці потенціалів (напруги) як і потенціалу - вольт: [U]= .

Якщо електричний заряд +q переміщується в однорідному електричному полі вздовж силової лінії на відстань d, поле виконує роботу: .

Якщо електричний заряд +q переміщується в однорідному електричному полі під кутом α до силової лінії на відстань d, поле виконує роботу:

Оскільки . То з останніх формул випливає зв’язок між напруженістю електричного поля і напругою: .

Потенціал електричного поля зменшується в напрямі силових ліній.

Потенціал електричного поля, створеного точковим зарядом q₀, визначається:

,

де — електрична стала, — діелектрична проникність середовища, r — відстань від точкового заряду q₀ до точки, в якій визначають потенціал.

При на­кладанні електричних полів, створених кількома зарядами, наприклад, q₁, -q₂, q₃, потенціал електричного поля дорівнює алгебраїчній сумі потенціалів полів, створених окремими зарядами: φ=φ₁+φ₂+φ₃.

4. Електричне поле у речовині

Провідники — речовини, які мають вільні заряджені частинки. У металах вільними носіями електричних зарядів є електрони провідності, в електролі­тах — позитивні та негативні іони, в плазмі — вільні елек­трони та іони.

За відсутності електростатичного поля провідники електрично нейтральні.

У провіднику, який розміщений в електричному полі, відбувається перерозподіл зарядів: на одній частині провідника утворюється надлишок негативного заряду, на інших – позитивного. Це явище називається електростатичною індукцією.

Напруженість зовнішнього електричного поля всередині провідника дорівнює нулю.

Діелектрики — речовини, які не мають вільних електричних зарядів. Залежно від електрич­них властивостей молекул діелектрики поділяють на полярні та неполярні.

Молекули полярних діелектриків це електричні диполі, що мають постійний дипольний момент внаслідок асиметрії центра мас позитивних і негативних зарядів. Завдяки цьому механізм їх поляризації має орієнтаційний ха­рактер: якщо вмістити полярний діелектрик у зовнішнє електричне поле, виникає переважаюча орієнтація дипольних момен­тів молекул уздовж силових ліній поля. Тому зі збільшенням напруженості електричного поля поляризованість діелектрика зро­стає.

Молекули неполярних діелектриків, якщо відсутнє зовнішнє електричне поле, дипольного моменту не мають. Їх поляри­зація пояснюється виникненням дипольного моменту в молекулах внаслідок їх деформації в зовнішньому елек­тричному полі. Залежно від хімічного зв'язку вона може бути результатом деформації електронних оболонок окре­мих атомів та іонів (електронна поляризація) або наслідком зміщення позитивних і негативних іонів у різні сторони вздовж силових ліній зовнішнього електричного поля (іонна поляризація). У такому разі дипольний момент зростає зі збільшенням напруженості електричного поля.

Якщо в електростатичному полі перебуває діелектрик, то напруженість електричного поля дорівнює векторній сумі напруженості полів, створених вільними (E₀) і зв'язаними (Е_р) зарядами: .

Діелектрики застосовують як електроізоляційні матеріали. Зав­дяки специфічним властивостям, коли відсутнє електричне поле, їх використовують як нелінійні елементи в радіо­техніці ( сегнетоелектрики, електрети), як перетворю­вачі механічних коливань в електричні та навпаки (п'єзоелектричний ефект).