Лабораторная работа № 10 (часть 2). Напряженность, силовые линии и потенциал электрического поля.
Цель работы - изучение электрического поля с помощью напряженности, силовых линий и потенциала.
Краткая теория
Каждый заряд создает вокруг себя электрическое поле. Основное свойство электрического поля – действовать на помещенный в него другой заряд с некоторой силой. Поэтому заряды взаимодействуют на расстоянии.
Для оценки поля введена силовая характеристика – напряженность поля. Напряженность электрического поля в данной точке пространства численно равна силе, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в эту точку, и направлена по направлению действия силы.
.
Из закона Кулона следует, что величина напряженности поля точечного заряда Q на расстоянии r от него равна
.
При удалении от заряда величина поля убывает. Наглядно это можно изобразить графически с помощью силовых линий.
Силовой линией, или линией напряженности электрического поля, называется такая линия, проведенная в электрическом поле, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением напряженности поля в этой точке.
Силовые линии начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных. Силовые линии гуще там, где поле сильнее. Однородным называется поле, напряженность которого одинакова во всех точках, а значит, силовые линии параллельны между собой. Такое поле можно создать двумя разноименно заряженными параллельными металлическими пластинами.
Если поле создается несколькими неподвижными зарядами Q1, Q2, Q3,…, то выполняется принцип суперпозиции (наложения) полей: напряженность результирующего электрического поля в данной точке пространства равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых в этой точке каждым зарядом отдельно
На практике более удобной характеристикой электрического поля оказалась скалярная физическая величина – потенциал V. Физический смысл имеет разность потенциалов
.
Разностью потенциалов между точками 1 и 2 называется работа, совершаемая силами поля при перемещении единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2. Величину U называют также напряжением между двумя точками поля (измеряется в вольтах)
.
Работу можно выразить следующим образом
.
В электрическом поле на заряд Q действует сила F=QE. Элементарная работа по перемещению заряда Q на бесконечно малом пути dl
dA=Fdl=QEdl.
Работа на конечном участке между точками 1 и 2
.
Отсюда
.
В однородном электрическом поле E=const, поэтому
U=El.
Потенциалом в данной точке поля называется работа, совершаемая при перемещении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность (потенциал бесконечно удаленной точки считается равным нулю)
.
В поле, создаваемом точечным зарядом Q, потенциал в точке, находящейся на расстоянии r от заряда
.
Отсюда видно, что при удалении от заряда V уменьшается, а точки, расположенные на одинаковом расстоянии r от точечного заряда, имеют одинаковый потенциал. Поверхность (в данном случае сфера), потенциал которой во всех ее точках одинаков, называется эквипотенциальной. Такой эквипотенциальной поверхностью является, например, поверхность заряженного проводника.