Поля. Потенциал поля

Если в электростатическом поле точечного заряда из точки 1 в точку 2 вдоль произвольной траектории перемещается другой точечный заряд (рис. 1.8), то кулоновская сила , приложенная к заряду, совершает работу. Работа, совершаемая силой на элементарном перемещении равна:

Так как то

Работа при перемещении заряда из точки 1 в точку 2 определяется выражением:

(1.10)

т.е. не зависит от траектории перемещения заряда, а определяется только положениями начальной 1 и конечной 2 точек. Следовательно, электростатическое поле точечного заряда является потенциальным, а кулоновские силы – консервативными силами.

Из формулы (1.10) следует, что работа, совершаемая при перемещении электрического заряда во внешнем электростатическом поле по любому замкнутому пути L, равна нулю, т.е.

(1.11)

Если в качестве заряда, переносимого в электростатическом поле, взять единичный точечный положительный заряд, то элементарная работа сил поля на перемещении будет равна где проекция вектора на направление элементарного перемещения. Тогда формулу (1.11) можно записать в виде

(1.12)

Этот интеграл называется циркуляцией вектора напряженности. Следовательно, циркуляция вектора напряженности электростатического поля вдоль любого замкнутого контура равна нулю. Силовое поле, обладающее свойством (1.12), является потенциальным. Из обращения в нуль циркуляции вектора следует, что линии напряженности электростатического поля не могут быть замкнутыми: они начинаются и оканчиваются на зарядах (положительных и отрицательных) или же уходят в бесконечность.

Формула (1.12) справедлива только для электростатического поля; для электрического поля движущихся зарядов циркуляция вектора напряженности отлична от нуля.

Тело, находящееся в потенциальном поле сил, в частности, в электростатическом поле, обладает потенциальной энергией, за счет которой силами поля совершается работа. Поэтому работу кулоновских сил (формула (1.10)) можно представить как разность потенциальных энергий, которыми обладает точечный заряд в начальной и конечной точках поля заряда :

(1.13)

Таким образом, потенциальная энергия заряда в поле заряда равна

где С – постоянная интегрирования, которая определяется из граничных условий. При потенциальная энергия и . Следовательно, потенциальная энергия заряда , находящегося в поле заряда на расстоянии r от него, равна:

(1.14)

Если поле создается системой из n точечных зарядов то работа электростатических сил, совершаемая над зарядом , равна алгебраической сумме работ сил, обусловленных каждым из зарядов в отдельности. Поэтому потенциальная энергия заряда , находящегося в этом поле, равна сумме его потенциальных энергий в полях, создаваемых каждым из зарядов в отдельности:

(1.15)

Из формул (1.14) и (1.15) можно выделить отношение , которое называется потенциалом и является энергетической характеристикой электростатического поля:

(1.16)

Таким образом, потенциал в какой-либо точке электростатического поля есть физическая скалярная величина, определяемая потенциальной энергией единичного положительного заряда, помещенного в эту точку.

Из формулы (1.16) с учетом (1.14) следует, что потенциал точки поля точечного заряда

(1.17)

где r – расстояние от заряда до заданной точки.

Работа, совершаемая силами электростатического поля по перемещению заряда из точки 1 в точку 2 (выражение (1.13)) может быть представлена как

(1.18)

т.е. работа кулоновских сил численно равна произведению величины перемещаемого заряда на разность потенциалов в начальной и конечной точках поля. Из формулы (1.18) следует, что разность потенциалов двух точек электростатического поля – это физическая скалярная величина, определяемая работой, совершаемой кулоновскими силами при перемещении единичного положительного заряда из одной точки в другую.

Если перемещать заряд из произвольной точки за пределы поля, т.е. в бесконечность, где по условию потенциал равен нулю, то согласно (1.18) работа сил электростатического поля откуда

(1.19)

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

Единица потенциала – вольт (В): 1 В – это потенциал такой точки поля, в которой заряд в 1 Кл обладает потенциальной энергией в 1 Дж (см. формулу (1.16)):

Из формул (1.15) и (1.16) вытекает, что если электростатическое поле создается несколькими зарядами, то потенциал точки поля системы зарядов равен алгебраической сумме потенциалов полей всех этих зарядов: