Характеристики электростатического поля. Потенциал.

На любой заряд, находящийся в электростатическом поле действует сила. Следовательно, при движении этого заряда в поле совершается работа.
Причем, для электростатических полей работа по перемещению заряда из одной точки пространства в другую не зависит от того, по какой траектории происходит перемещение, а определяется лишь его начальным и конечным положениями. Такие поля называются потенциальными, а создающие их силы консервативными. Работа по перемещению заряда по замкнутому контуру в потенциальном поле равняется нулю.

Величина, равная работе, совершаемой полем по перемещению единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2 называется разностью потенциалов.
A/q = f1 - f2 = U12.

Единица измерения разности потенциалов 1В = 1 Дж/1 Кл.
Разность потенциалов - это скалярная величина. Она является энергетической характеристикой электростатического поля. Зная разность потенциалов, можно рассчитать работу по перемещению заряда из точки 1 в точку 2.
A = q*(f1 - f2) = - q*Df.

Работу считаем положительной, если она совершается силами поля и отрицательной, если она совершается против сил поля.

Проследим связь между напряженностью электростатического поля и разностью потенциалов в случае однородного поля. Предположим, что заряд q перемещается вдоль силовых линий из точки 1 в точку 2. Работа сил электростатического поля равна:
A = F*Dx = q*E*Dx = - q*Df.

Следовательно, E = - Df/Dx. Это выражение справедливо и для любого другого способа  перемещения заряда.
В однородном поле напряженность E равна отношению разности потенциалов между двумя точками, к расстоянию между двумя точками вдоль направления силовых линий.
Работа - есть мера изменения энергии. Чтобы охарактеризовать каждую точку поля с энергетической точки зрения введем понятие потенциала точки поля. Потенциал численно равен работе, которую надо совершить чтобы переместить единичный положительный заряд из данной точки поля в точку с нулевым потенциалом.
В электротехнике отсчет потенциала производится относительно Земли (потенциал Земли принимают равным нулю), в радиотехнике - относительно металлического корпуса аппарата, в теоретической физике - относительно бесконечности.
Эквипотенциальные поверхности
Графическим изображением электростатического поля кроме линий напряженности служат эквипотенциальные поверхности - поверхности равного потенциала. Разность потенциалов между любыми двумя точками такой поверхности равна нулю, следовательно, равна нулю и работа электростатических сил при перемещении заряда по такой поверхности. Исходя из определения работы A = F*Dx*cos(a), последнее утверждение может иметь место только тогда, когда cos(a) = 0, т.е. направление перемещения перпендикулярно к действующей силе. Действительно, при наличии поля F не равняется нулю, а при перемещении Dx не равняется нулю.
Поскольку касательная к силовой линии совпадает по направлению с вектором напряженности (силы), то эквипотенциальные поверхности в любой точке перпендикулярны силовым линиям (см. рис. 3-5, эквипотенциальные поверхности показаны коричневым цветом, f = const).

Поле точечного заряда

Поле плоского конденсатора


Поле диполя

Чем теснее расположены эквипотенциальные поверхности, тем больше напряженность поля в данной точке пространства.

Другие записи

10.06.2016. Понятие об электростатическом поле. Закон Кулона
Взаимодействие между электрически заряженными частицами или телами, движущимися произвольным образом относительно инерционной системы отсчета (ИС), осуществляется посредством электромагнитного поля, которое…