Потенциальные поля. Можно доказать, что работа любого электростатического поля при перемещении заряженного тела из одной точки в другую не зависит от формы траектории, гак же как и работа однородного поля. На замкнутой траектории работа электростатического поля всегда равна нулю. Поля, обладающие таким свойством, называют потенциальными. Потенциальный характер, в частности, имеет электростатическое поле точечного заряда.

Работу потенциального поля можно выразить через изменение потенциальной энергии. Формула справедлива для произвольного электростатического поля. Но только в случае однородного поля энергия выражается формулой (8.19)

Потенциал. Потенциальная энергия заряда в электростатическом поле пропорциональназаряду. Это справедливо как для однородного поля (см. формулу 8.19), гак и для любого другого. Следовательно, отношение потенциальной энергии к заряду не зависит от помещенного в поле заряда.

Это позволяет ввести новую количественную характеристику поля - потенциал. Потенциалом электростатического поля называют отношение потенциальной энергии заряда в поле к этому заряду.

Согласно данному определению потенциал равен:

Напряженность поля является вектором и представляет собой силовую характеристику поля; она определяет силу, действующую на заряд в данной точке поля. Потенциал - скаляр, это энергетическая характеристика поля; он определяет потенциальную энергию заряда в данной точке поля.

Если в качестве нулевого уровня потенциальной энергии, а значит, и потенциала принять отрицательно заряженную пластину (рис. 124), то согласно формулам (8.19 и 8.20) потенциал однородного поля равен:

Разность потенциалов. Подобно потенциальной энергии, значение потенциала в данной точке зависит от выбора нулевого уровня для отсчета потенциала. Практическое значение имеет не сам потенциал в точке, а изменение потенциала, которое не зависит от выбора нулевого уровня отсчета потенциала.

Так как потенциальная энергия то работа равна:

В дальнейшем вместо изменения потенциала представляющего собой разность значений потенциала в конечной и начальной точках траектории, будем использовать другую величину - разность потенциалов. Под разностью потенциалов понимают разность значений потенциала в начальной и конечной точках траектории:

Часто разность потенциалов называют также напряжением.

С разностью потенциалов, или напряжением удобнее иметь дело, чем с изменением потенциала особенно при изучении электрического тока.

Согласно формулам (8.22) и (8.23) разность потенциалов

Таким образом, разность потенциалов (напряжение) между двумя точками равна отношению работы поля по перемещению заряда из начальной точки в конечную к этому заряду.

Зная напряжение в осветительной сети, мы тем самым знаем работу, которую электрическое поле может совершить при перемещении единичного заряда от одного контакта розетки к другому по любой электрической цепи. С понятием разности потенциалов мы будем иметь дело на протяжении всего курса физики.

Единица разности потенциалов. Единицу разности потенциалов устанавливают с помощью формулы (8.24). В Международной системе единиц работу выражают в джоулях, а заряд - в кулонах. Поэтому разность потенциалов между двумя точками равна единице, если при перемещении заряда в 1 Кл из одной точки в другую электрическое поле совершает работу в 1 Дж. Эту единицу называют вольтом

1. Какие поля называют потенциальными? 2. Как связано изменение потенциальной энергии с работой? 3. Чему равна потенциальная энергия заряженной частицы в однородном электрическом поле? 4. Дайте определение потенциала. Чему равна разность потенциалов между двумя точками поля?

Понятие энергии исключительно полезно для решения задач механики. Прежде всего энергия сохраняется и поэтому служит важной характеристикой явлений природы. Используя представления об энергии, многие задачи удается решить, не имея детальных сведений о силах или в случае, когда применение законов Ньютона потребовало бы сложных вычислений.

Энергетическим подходом можно воспользоваться и при изучении электрических явлений, и здесь он оказывается чрезвычайно полезным: позволяет не только обобщить закон сохранения энергии, но и в новом аспекте увидеть электрические явления, а также служит средством более просто находить решения, чем путем рассмотрения сил и электрических полей.

Потенциальную энергию можно определить лишь для консервативных сил; работа такой силы по перемещению частицы между двумя точками не зависит от выбранного пути.
Легко видеть, что электростатическая сила является консервативной: сила, с которой один точечный заряд действует на другой, определяется законом Кулона: F = kQ 1 Q 2 /r 2 ; здесь та же обратно пропорциональная зависимость от квадрата расстояния, что и в законе всемирного тяготения: F = Gm 1 m 2 /r 2 . Такие силы консервативны. Сила, действующая на выбранный заряд со стороны любого распределения зарядов, может быть записана в виде суммы кулоновских сил; следовательно, и сила, создаваемая произвольным распределением зарядов, консервативна. А это позволяет ввести потенциальную энергию электростатического поля.

Разность потенциальных энергий точечного заряда q в двух различных точках электрического поля можно определить как работу, совершаемую внешними силами по перемещению заряда (против действия электрической силы) из одной точки в другую. Это равносильно определению изменения потенциальной энергии заряда в поле как взятой с обратным знаком работы, совершаемой самим полем по перемещению заряда из одной точки в другую.

Рассмотрим для примера электрическое поле между двумя пластинами с равным по величине и противоположным по знаку зарядом. Пусть размеры пластин велики по сравнению с расстоянием между ними, и поэтому поле между пластинами можно считать однородным (рис. 24.1).
Поместим в точку а вблизи положительно заряженной пластины точечный положительный заряд q . Электрическая сила, действующая на заряд, будет стремиться переместить его к отрицательной пластине (в точку b ), совершая работу по переносу заряда. Под действием силы заряд приобретет ускорение и его кинетическая энергия возрастет; при этом потенциальная энергия уменьшится на величину работы, совершенной электрической силой по перемещению заряда из точки a в точку b . Согласно закону сохранения энергии, потенциальная энергия заряда в электрическом поле перейдет в кинетическую энергию, но полная энергия останется неизменной. Заметим, что положительный заряд q обладает наибольшей потенциальной энергией U вблизи положительной пластины (в этой точке его способность совершать работу над другим телом или системой максимальна). Для отрицательного заряда справедливо обратное: его потенциальная энергия будет максимальна вблизи отрицательной пластины.

Напряженность электрического поля мы определяли как силу, действующую на единичный заряд; аналогично удобно ввести электрический потенциал (или просто потенциал, если это не вызывает недоразумений) как потенциальную энергию единичного заряда. Электрический потенциал обозначается символом V ; итак, если в некоторой точке a точечный заряд q обладает потенциальной энергией U a , то электрический потенциал в этой точке равен V a = U a /q .
Реально мы измеряем только изменение потенциальной энергии. Соответственно фактически можно измерить лишь разность потенциалов между двумя точками (например, точками a и b на рис. 24.1). Если работа электрических сил по перемещению заряда от точки a в точку b есть W ba (а разность потенциальных энергий соответственно равна этой величине с обратным знаком), то для разности потенциалов можно написать

Единицей электрического потенциала (и разности потенциалов) является джоуль на кулон (Дж/Кл); этой единице присвоено наименование вольт (В) в честь Алессандро Вольты (1745-1827) (он известен как изобретатель электрической батареи); 1 В = 1 Дж/Кл. Заметим, что, согласно данному определению, положительно заряженная пластина на рис. 24.1 имеет более высокий потенциал, чем отрицательная. Таким образом, положительно заряженное тело будет стремиться перейти из точки с более высоким потенциалом в точку с более низким потенциалом, отрицательно заряженное тело - наоборот. Разность потенциалов часто называют электрическим напряжением.

Потенциал в данной точке V a зависит от выбора «нуля» потенциала; как и в случае потенциальной энергии, нулевой уровень может выбираться произвольно, поскольку измерить можно лишь изменение потенциальной энергии (разность потенциалов). Часто за нулевой принимают потенциал земли или проводника, соединенного с землей, и остальные значения потенциалов отсчитывают относительно «земли». (Например, говоря, что потенциал в какой-то точке равен 50 В, имеют в виду, что разность потенциалов между этой точкой и землей равна 50 В.) В иных случаях, как мы увидим, удобно считать нулевым потенциал на бесконечности.

Поскольку электрический потенциал определяется как потенциальная энергия единичного заряда, изменение потенциальной энергии заряда q при перемещении его из точки a в точку b равно

Δ U = U b - U a = qV ba

Другими словами, когда заряд q перемещается между точками с разностью потенциалов V ba , его потенциальная энергия изменяется на величину qV ba . Если, например, разность потенциалов между пластинами на рис. 24.1 составляет 6 В, то заряд 1 Кл, перемещенный (внешней силой) из точки b в точку a , увеличит свою потенциальную энергию на (1 Кл) (6 В) = 6 Дж. (Перемещаясь же из a в b , он потеряет потенциальную энергию 6 Дж.) Аналогично энергия заряда 2 Кл увеличится на 12 Дж и т. п. Таким образом, электрический потенциал служит мерой изменения потенциальной энергии электрического заряда в данной ситуации. А поскольку потенциальная энергия - это способность совершать работу, электрический потенциал служит мерой той работы, которую может совершить данный заряд. Количество работы зависит как от разности потенциалов, так и от величины заряда.

Чтобы лучше понять смысл электрического потенциала, проведем аналогию с гравитационным полем. Пусть камень падает с вершины скалы. Чем выше скала, тем большей потенциальной энергией обладает камень и тем больше будет его кинетическая энергия, когда он долетит до подножия скалы. Величина кинетической энергии и соответственно работа, которую может совершить камень, зависят от высоты скалы и от массы камня. Точно так же и в электрическом поле изменение потенциальной энергии (и работа, которую можно совершить) зависит от разности потенциалов (эквивалентной высоте скалы) и заряда (эквивалентного массе).

Используемые на практике источники электроэнергии - батареи, электрогенераторы - создают определенную разность потенциалов. Количество энергии, отбираемой от источника, зависит от величины переносимого заряда.
Рассмотрим, например, автомобильную фару, соединенную с аккумулятором, разность потенциалов на зажимах которого равна 12 В. Количество энергии, преобразуемой фарой в свет (и, конечно, в тепло), пропорционально заряду, протекшему через фару, что в свою очередь зависит от того, как долго включена фара. Если за некоторое время через фару прошел заряд 5,0 Кл, то преобразованная фарой энергия составит (5,0 Кл)*(12,0 В) = 60 Дж. Если оставить фару включенной вдвое дольше, то через нее пройдет заряд 10,0 Кл, и количество преобразованной энергии составит (10,0 Кл)*(12,0 В) = 120 Дж.
Эффекты, обусловленные тем или иным распределением зарядов, можно описать как с помощью напряженности электрического поля, так и через электрический потенциал. Между напряженностью поля и потенциалом существует тесная связь. Рассмотрим вначале эту связь для случая однородного электрического поля, например поля между пластинами на рис. 24.1 с разностью потенциалов V ba . Работа электрического поля по перемещению положительного заряда q из точки a в точку b равна

W = - qV ba

Обратим внимание на то, что величина V ba = V b - V a отрицательна (V ba a выше, чем в точке b (и положителен по отношению к потенциалу в точке b ). Поэтому совершаемая полем работа положительна.
С другой стороны, работа равна произведению силы на перемещение, а сила, действующая на заряд q , есть F = qE , где Е - напряженность однородного электрического поля между пластинами. Таким образом,

W = Fd = qEd

где d - расстояние между точками a и b (вдоль силовой линии). Приравняв эти выражения для работы, получим

- qV ba = qEd

V b - V a = V ba = - Ed (поле E однородно).

Знак минус в правой части указывает просто на то, что V a V b , т.е. потенциал положительной пластины выше, чем отрицательной, как мы уже говорили. Положительные заряды стремятся двигаться из области с высоким потенциалом в область с низким потенциалом. Отсюда можно найти Е :

Е = - V ba /d .

Из последнего равенства видно, что напряженность электрического поля можно измерять как в вольтах на метр (В/м), так и в ньютонах на кулон (Н/Кл). Эти единицы эквивалентны между собой: 1 Н/Кл = 1 Н·м/Кл·м = 1 Дж/Кл·м = 1 В/м.

Чтобы перейти к общему случаю неоднородного электрического поля, вспомним соотношение между силой F и потенциальной энергией U , обусловленной этой силой. Разность потенциальных энергий в двух точках пространства a и b определится формулой

где dl - бесконечно малое перемещение, а интеграл берется вдоль произвольной траектории между точками a и b . В случае электрического поля нас больше интересует разность не потенциальных энергий, а потенциалов:

V ba = V b - V a = (U b - U a)/q

Напряженность электрического поля Е в любой точке пространства определяется отношением силы к заряду: Е = F/q . Подставляя эти два равенства в формулу, получим

Это и есть общее соотношение, связывающее напряженность электрического поля с разностью потенциалов.

Когда поле однородно, например, на рис. 24.1 вдоль траектории, параллельной силовым линиям, от точки a у положительной пластины до точки b у отрицательной пластины (поскольку направления E и dl всюду совпадают) имеем

где d - расстояние вдоль силовой линии между точками a и b . И вновь знак минус в правой части свидетельствует лишь о том, что на рис. 24.1 V a > V b .

Продолжение следует. Коротко о следующей публикации:

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Для изучения электростатического поля с энергетической точки зрения в него, как и в случае рассмотрения напряженности, вводится положительно заряженное точечное тело - пробный заряд. Допустим, что однородное электрическое поле, перемещая из точки 1 в точку 2 внесенное в него тело зарядом q и на пути l, совершает работу A = qEl (рис. 62, а). Если величина внесенного заряда будет 2q, 3q, ..., nq, то поле совершит соответственно работу: 2А, 3А, ..., nА . Эти работы различны по величине, поэтому не могут служить характеристикой электрического поля. Если взять соответственно отношения величин данных работ к величинам заряда тела, то окажется, что эти отношения для двух точек (1 и 2) есть величины постоянные:

Если подобным образом исследовать электрическое поле между двумя любыми его точками, то придем к заключению, что для любых двух точек поля отношение величины работы к величине заряда тела, перемещаемого полем между точками, есть величина постоянная, но оно в зависимости от расстояния между точками различно. Величина, измеряемая этим Отношением, называется разностью потенциалов между двумя точками электрического поля (обозначается φ 2 - φ 1) или напряжением U между точками поля. Скалярная величина, являющаяся энергетической характеристикой электрического поля и измеряемая работой, совершаемой им при перемещении точечного тела, заряд которого равен +1, из одной точки поля в другую, называется разностью потенциалов между двумя точками поля, или напряжением между этими точками. Из определения разность потенциалов напряжение U = φ 2 - φ 1 = Δφ.

Вокруг каждого заряженного тела имеется электрическое поле. С увеличением расстояния от тела до любой точки поля сила, с которой оно действует на внесенный в него заряд, уменьшается (закон Кулона) и в какой-то точке пространства практически становится равной нулю. Место, где не обнаруживается действия электрического поля данного заряженного тела, называется бесконечно удаленным от него.

Если шарик электроскопа помещать в разные точки электрического поля заряженного шарика электрофорной машины, то оно заряжает электроскоп. При заземлении шарика электроскопа электрическое поле машины совсем не действует на электроскоп. Разность потенциалов между произвольной точкой электрического поля и точкой, расположенной на поверхности Земли, называется потенциалом данной точки поля относительно Земли. Он измеряется работой, для вычисления которой надо знать начальную и конечную точки пути. За одну из этих точек принята точка на поверхности Земли, и относительно ее вычисляется работа перемещения заряда, а следовательно, и потенциал другой точки.

Если электрическое поле образовано положительно заряженным телом (рис. 62, б), то оно само перемещает до поверхности Земли внесенное в него положительно заряженное тело С. Потенциалы точек такого поля считают положительными. Когда электрическое поле образовано отрицательно заряженным телом (рис. 62, в), для перемещения положительно заряженного тела С до поверхности Земли нужна посторонняя сила F пост. Потенциал точек такого поля считается отрицательным.

Если известны потенциалы точек поля φ 1 и φ 2 , то, исходя из формулы разности потенциалов, можно вычислить работу перемещения заряженного тела из одной точки поля в другую: A = q(φ 2 - φ 1), или A = qU. Поэтому разность потенциалов и является энергетической характеристикой электрического поля. По этим формулам подсчитывается работа перемещения заряда в однородном и неоднородном электрических полях.

Установим единицу измерения напряжения (разности потенциалов) в системе СИ. Для этого в формулу напряжения подставим значение А = 1 дж и q = 1 к:

За единицу напряжения - вольт - принята разность потенциалов между двумя точками электрического поля, при перемещении между которыми точечного тела с зарядом в 1 к поле совершает работу в 1 дж.

Из механики известно, что работа консервативных сил связана с изменением потенциальной энергии. Система "заряд - электростатическое поле" обладает потенциальной энергией (энергией электростатического взаимодействия). Поэтому, если не учитывать взаимодействие заряда с гравитационным полем и окружающей средой, то работа, совершаемая при перемещении заряда в электростатическом поле, равна изменению потенциальной энергии заряда, взятому с противоположным знаком:

Если W p2 = 0, то в каждой точке электростатического поля потенциальная энергия заряда q 0 равна работе, которая была бы совершена при перемещении заряда q 0 из данной точки в точку с нулевой энергией.

Пусть электростатическое поле создано в некоторой области пространства положительным зарядом q (рис. 1).

Будем помещать в точку М этого поля различные пробные положительные заряды q 0 . Потенциальная энергия их различна, но отношение для данной точки поля и служит характеристикой поля, называемой потенциалом поля в данной точке:

Единицей потенциала в СИ является вольт (В) или джоуль на кулон (Дж/Кл).

Потенциалом электростатического поля в данной точке называют скалярную физическую величину, характеризующую энергетическое состояние поля в данной точке пространства и численно равную отношению потенциальной энергии, которой обладает пробный положительный заряд, помещенный в эту точку, к значению заряда.

Потенциал - это энергетическая характеристика поля в отличие от напряженности поля, являющейся силовой характеристикой поля.

Необходимо отметить, что потенциальная энергия заряда в данной точке поля, а значит, и потенциал зависят от выбора нулевой точки. Нулевой эта точка называется потому, что потенциальную энергию (соответственно потенциал) заряда, помещенного в эту точку поля, уславливаются считать равной нулю.

Нулевой уровень потенциальной энергии выбирается произвольно, поэтому потенциал можно определить только с точностью до некоторой постоянной, значение которой зависит от того, в какой точке пространства выбрано его нулевое значение.

В технике принято считать нулевой точкой любую заземленную точку, т.е. соединенную проводником с землей. В физике за начало отсчета потенциальной энергии (и потенциала) принимается любая точка, бесконечно удаленная от зарядов, создающих поле. Если нулевая точка выбрана, то потенциальная энергия (соответственно и потенциал в данной точке) заряда q 0 становится определенной величиной.

На расстоянии r от точечного заряда q, создающего поле, потенциал определяется формулой

При указанном выше выборе нулевой точки потенциал в любой точке поля, создаваемого положительным зарядом q, положителен, а поля, создаваемого отрицательным зарядом, отрицателен:

По этой формуле можно рассчитывать потенциал поля, образованного равномерно заряженной проводящей сферой радиусом R в точках, находящихся на поверхности сферы и вне ее. Внутри сферы потенциал такой же, как и на поверхности, т.е.

Если электростатическое поле создается системой зарядов, то имеет место принцип суперпозиции : потенциал в любой точке такого поля равен алгебраической сумме потенциалов, создаваемых в этой точке каждым зарядом в отдельности:

Зная потенциал поля в данной точке, можно рассчитать потенциальную энергию заряда q0 помещенного в эту точку: W p1 = q 0 . Если положить, что W p2 = 0, то из уравнения (1) будем иметь

Потенциальная энергия заряда q 0 в данной точке поля будет равна работе сил электростатического поля по перемещению заряда q0 из данной точки в нулевую. Из последней формулы имеем

Потенциал электрического поля представляет собой отношение потенциальной энергии к заряду. Как известно электрическое поле является потенциальным. Следовательно, любое тело находящиеся в этом поле обладает потенциальной энергией. Любая работа, которая будет совершаться полем, будет происходить за счет уменьшения потенциальной энергии.

Формула 1 — Потенциал

Потенциал электрического поля это энергетическая характеристика поля. Он представляет собой работу которую нужно совершить против сил электрического поля для того чтобы переместить единичный положительный точечный заряд находящийся на бесконечности в данную точку поля.

Измеряется потенциал электрического поля в вольтах.

В случае если поле создается несколькими зарядами, которые расположены в произвольном порядке. Потенциал в данной точке такого поля будет представлять собой алгебраическую сумму всех потенциалов, которые создают заряды каждый в отдельности. Это так называемый принцип суперпозиции.

Формула 2 — суммарный потенциал разных зарядов

Допустим, что в электрическом поле заряд перемещается из точки "a" в точку "b". Работа совершается против силы электрического поля. Соответственно потенциалы в этих точках будут отличаться.

Формула 3 — Работа в электрическом поле

Рисунок 1 — перемещение заряда в электрическом поле

Разность потенциалов двух точек поля будет равна одному Вольту, если для того чтобы переместить заряд в один кулон между ними необходимо совершить работу в один джоуль.

Если заряды имеют одинаковые знаки, то потенциальная энергия взаимодействия между ними будет положительна. В этом случае заряды отталкиваются друг от друга.

Для разноименных зарядов энергия взаимодействия будет отрицательна. Заряды в этом случае будут, притягивается друг к другу.