1°. Робота в електричному полі
З цим матеріалом ми вже знайомі.
Тому пробуємо зрозуміти нижче написане.
 |
| Мал. 1 Робота електричних сил при малому переміщенні Δl заряду q. |
При переміщенні пробного заряду q в електричному полі електричні сили виконують роботу. Ця робота при малому переміщенні Δl дорівнює (мал. 1):
ΔA = F∙Δl∙cosα = qEΔlcosα = qElΔl.
Електричне поле володіє важливою властивістю:
Робота сил електростатичного поля при переміщенні заряду з одної точки поля в іншу не залежить від форми траєкторії, а визначається лише положенням початкової і кінцевої точок і величиною заряду.
Подібну властивість має гравітаційне поле, і це зрозуміло, оскільки гравітаційні та кулонівські сили описуються подібними співвідношеннями.
Наслідком незалежності роботи від форми траєкторії є наступне твердження:
Робота сил електростатичного поля при переміщенні заряда по будь-якій замкненій траєкторії дорівнює нулю.
Силові поля, які мають таку властивість, називають потенціальними або консервативними.
 |
| Мал.2 Робота кулонівських сил при переміщенні заряду q не залежить від траекторії, а залежить лише від початкового та кінцевого положень: r1 та r2. |
На мал. 2 зображено силові лінії кулонівського поля точкового заряду Q і дві різні траєкторії переміщення пробного заряду q з початкової точки (1) в кінцеву точку (2). На одній з траєкторій виділено мале переміщення Δl. Робота ΔA кулонівських сил на цьому переміщенні дорівнює:
ΔА = FΔl∙cosα = qEΔr = QqΔr/(4πε0∙r2).
Отже, робота на малому переміщенні залежить тільки від віддалі r між зарядами і його зміни Δr. Якщо цей вираз проінтегрувати на інтервалі від r = r1 до r = r2, то отримаємо:
Отриманий результат не залежить від форми траєкторії. На траєкторіях I і II, зображених на мал. 2, роботи кулонівських сил однакові. Якщо на одній з траєкторій змінити напрям переміщення заряду q на протилежний, то робота теж змінить знак.
Звідси випливає, що на замкнутій траєкторії робота кулонівських сил дорівнює нулеві.
Якщо електростатичне поле створює декілька точкових зарядів Qi, то при переміщенні пробного заряду q робота A результуючого поля відповідно до принципу суперпозиціі буде складатися з робіт Ai кулонівських полів точкових зарядів: А = ∑Аі . Оскільки кожен член суми Ai не залежить від форми траєкторії, то і повна робота A результуючого поля не залежить від шляху і визначається лише положенням початкової і кінцевої точок траєкторії.
2°. Потенціальна енергія в електриці
Властивість потенціальності електростатичного поля дозволяє ввести поняття потенціальної енергії заряду в електричному полі. Для цього в просторі вибирають деяку точку (0), і потенційну енергію заряду q, розташованого в цій точці, приймають рівною нулеві.
Потенціальна енергія заряду q, розташованого в будь-якій точці (1) простору, відносно фіксованої точки (0) дорівнює роботі A10, яку виконає електричне поле при переміщенні заряда q з точки (1) в точку (0):
(В електростатиці енергію прийнято позначати літерою W, так як літерою E позначають напруженість електричного поля.)
В електриці фізичний зміст має не сама потенціальна енергія, а різниця її значень в двох точках простору.
Робота, виконана електричним полем при переміщенні точкового заряду q з точки (1) в точку (2), дорівнює різниці значень потенційної енергії в цих точках і не залежить від шляху переміщення заряду і від вибору точки (0).
A12 = A10 + A02 = A10 – A20 = Wp1 – Wp2
3°. Потенціал
Потенціальна енергія заряду q, котрий знаходиться в електричному полі, пропорційна до величини цього заряду.
Фізичну величину, яка дорівнює відношенню потенційної енергії електричного заряду в електростатичному полі до величини цього заряду, називають потенціалом φ електричного поля:
φ = Wp/q.
Потенціал φ є енергетичною характеристикою електростатичного поля.
Робота A12 по переміщенню електричного заряду q з початкової точки (1) в кінцеву точку (2) дорівнює добутку заряду на різницю потенціалів (φ1 – φ2) початкової і кінцевої точок:
A12 = Wp1 – Wp2 = qφ1 – qφ2 = q(φ1 – φ2).
В Міжнародній системі одиниць (СІ) одиницею потенціалу є вольт (В).
1 В = 1 Дж / 1 Кл.
В багатьох задачах електростатики для обчислення потенціалів за опорну точку (0) зручно прийняти безмежно віддалену точку. В цьому випадку поняття потенціала можна визначити так:
Потенціал поля в даній точці простору дорівнює роботі, яку здійснюють електричні сили для перенесення одиничного додатного заряду з цієї точки на безмежність.
φ∞ = А∞/q.
Потенціал φ∞ поля точкового заряду Q на віддалі r від нього відносно безмежно віддаленої точки обчислюють так:
Для графічного представлення електричного поля разом з силовими лініями використовують еквіпотенціальні поверхні.
Силові лінії електричного поля завжди перпендикулярні еквіпотенціальним поверхням.
 |
| Мал. 3 Еквіпотенціальні поверхні та силові лінії простих електричних полів. |
Еквіпотенціальні поверхні кулонівського поля точкового заряду – концентричні сфери. На мал. 3 зображено картини силових ліній і еквіпотенціальних поверхней деяких простих електростатичних полів.
В випадку однорідного поля еквіпотенціальні поверхні зображаються системою паралельних площин.
Якщо пробний заряд q здійснив мале переміщення Δl вздовж силової лінії з точки (1) в точку (2), то можна записати:
ΔA12 = qEΔl = q(φ1 – φ2) = – qΔφ,
де Δφ = φ1 – φ2 – зміна потенціалу. Звідси випливає:
Це співвідношення в скалярній формі відображає зв’язок між напруженістю поля і потенціалом. Тут l – координата вдовж силової лінії.
За принципом суперпозиції напруженість полів, створених електричними зарядами, випливає принцип суперпозиції для потенціалів:
φ = φ1 + φ2 + …+ φn.
Доцільно прочитати:
