Тема 2. Работа сил электростатического поля. Потенциал

Если в электростатическом поле, создаваемом точечным зарядом q, перемещается другой пробный заряд q₀ из точки 1 в точку 2 вдоль произвольной траектории (рис. 7), то при этом совершается работа сил электростатического поля.

Элементарная работа dA силы на элементарном перемещении равна:

.

Из рисунка 7 видно, что .

Тогда ( ).

Работа А при перемещении заряда q₀ вдоль траектории от точки 1 до точки 2:

,

то есть работа при перемещении заряда из точки 1 в точку 2 в электростатическом поле не зависит от траектории перемещения, а определяется только положениями начальной (1) и конечной (2) точек, то есть электростатическое полеточечного заряда является потенциальным.

Работа, совершаемая силами электростатического поля при перемещении заряда q₀ из точки 1 в точку 2, выражается следующим образом:

,

где φ₁ и φ₂ – потенциалы электростатического поля в точках 1 и 2.

Потенциал электростатического поля определяется с точностью до произвольной аддитивной постоянной С, то есть для поля точечного заряда q:

.

Тогда , .

Разность потенциалов двух точек 1 и 2 в электростатическом поле определяется работой , совершаемой силами поля, при перемещении пробного точечного поло­жительного заряда q₀ из точки 1 в точку 2 :

.

Если считать, что при удалении на бесконечность потенци­ал электростатического поля обращается в нуль (φ_∞=0), то потенциал φ₁ в данной точке поля можно определить следующим образом:

,

то есть потенциал j в данной точке поля равен работе сил электростатического поля при перемещении точечного поло­жительного единичного заряда из данной точки поля на бесконечность.

Циркуляцией вектора напряженности электростатического поляпо произвольному замкнутому контуру L называется интеграл

.

Для того, чтобы найти циркуляцию вектора напряженности по произвольному замкнутому контуру L, необходимо выбрать направление обхода контура, разбить этот контур L на элементы , для каждого элемента рассчитать величину (a – угол между векторами и ), а затем все эти величины сложить, что приводит к искомому интегралу.

Однако для электростатического поля циркуляция вектора напряженности по произвольному замкнутому контуру L может быть легко получена из формулы работы, совершаемой силами электростатического поля при перемещении пробного заряда q₀ по произвольному замкнутому контуру L.

С одной стороны, эта работа равна:

,

а с учетом того, что эта работа равна:

.

С другой стороны, эта работа может быть определена с помощью формулы:

,

из которой следует, что для произвольного замкнутого контура эта работа равна нулю, так как . Тогда и циркуляция вектора по произвольному замкнутому контуру L тоже равна нулю, то есть:

.

Величина , где a – угол между векторами и может быть записана в виде скалярного произведения векторов и , то есть, как , а полученное соотношение для циркуляции вектора примет вид:

.

Полученное соотношение является признаком потенциальногосилового поля. Обращение в нуль циркуляции вектора означает, что силовые линии электростатического поля не являются замкнутыми, они начинаются и заканчиваются на зарядах (соответственно на положительных или отрицательных) или же уходят в бесконечность, что также является свойством потенциальногосилового поля.Связь между напряженностью и потенциалом электростатического поля

Напряженность и потенциал φ электростатического поля связаны между собой следующим образом:

= – grad φ или , где

– единичные векторы координатных осей Ох, Оy, Оz, соответственно.

Знак минус в приведенной формуле означает, что вектор напряженности электростатического поля направлен в сторону максимального убывания потенциала j .

Для графического изображения распределения потенциала электростатического поля используютсяэквипотенциальные поверхности,то естьповерхности, во всех точках которых потенциал j имеет одно и то же значение.

Это свойство нормального взаимного расположения силовых линий и эквипотенциальных поверхностей поля является общим для любых случаев электростатического поля. То есть, зная расположение силовый линий электростатического поля, можно построить эквипотенциальные поверхности и, наоборот, по известному расположению эквипотенциальных поверхностей можно построить силовые линии электростатического поля. Магнитное поле