- •12 Семестр 3. Лекция 2. Лекция 2. Потенциал электростатического поля.
- •Математическое отступление
- •1) Поток векторного поля через поверхность.
- •2) Циркуляция векторного поля.
- •3) Теорема Стокса.
- •4) Векторное поле , для которого существует непрерывно-дифференцируемая функция ф такая, что выполняется равенство ,
- •5) Теорема Остроградского-Гаусса.
- •Связь напряжённости и потенциала.
4) Векторное поле , для которого существует непрерывно-дифференцируемая функция ф такая, что выполняется равенство ,
называется потенциальным.
Ротор
потенциального поля равен нулевому
вектору:
.
Действительно,
т.к.
,
то
.
5) Теорема Остроградского-Гаусса.
Любому
векторному полю
соответствует функция, называемаядивергенцией
этого векторного поля. В
декартовой системе координат она
определяется соотношением:
.
Математическая теорема Остроградского-Гаусса гласит:
поток векторного поля через замкнутую поверхность, ориентированную наружу, равен интегралу от дивергенции этого поля по объёму, охваченному этой поверхностью:
.
Выше
выражение для дивергенции векторного
поля
записано
в декартовой системе координат. С помощью
математической теоремы Остроградского-Гаусса
выражение для дивергенции векторного
поля, например напряжённости
,
можно записать в абстрактной символической
форме:
.
Это
выражение служит также для установления
математического и физического смысла
операции дивергенции векторного поля:
дивергенция
в произвольной точке пространстваМ
равна
отношению потока вектора
через произвольную
бесконечно малую замкнутую поверхность
в окрестности точки М
к бесконечно
малому объёму, ограниченному этой
замкнутой поверхностью.
Ещё раз о смысле дивергенции.
Рассмотрим
выпуклую поверхность, охватывающую
достаточно малый объём. Тогда по теореме
о среднем для интеграла
получим:
.
П
редположим,
что векторное поле втекает внутрь объёмаV, т.е. в каждой точке
поверхностиSвекторы
направлены против векторов нормалей
.
Поэтому в каждой точке скалярное
произведение
,
т.е. отрицательно.
Тогда
интеграл
.
Так как величина объёмаV> 0, то
.
Говорят, что в этом случае поле имеет внутри поверхности S«сток»- «оно как бы стекает в некоторую дырку».
Если же
,
то говорят, что у поля есть«источник».
М
ожно
заметить, что в случаестокаилиисточникаполя, при стягивании
поверхностиSв точку,
векторное поле становится похожим на
картину силовых линий точечных зарядов.
В этом
случае положительные заряды являются
источникамиэлектрического поля
и для них
.
Отрицательные
заряды являются стоками электрического
поля. Для них
.
Электрические заряды принято называть просто источниками(положительными и отрицательными) электрического поля.
Таким образом, силовые линии электростатического поля не являются непрерывными линиями – они имеют начало и конец.
Вихревое
электрическое поле
не имеет источников.
Действительно, в этом случае
существует некоторое поле
,
такое, что
,
поэтому (доказательство проведём в
декартовой системе координат):
.
Но
,
поэтому

Так как вихревое поле не имеет источников, то его силовые линии нигде не разрываются, т.е. они непрерывные и замкнутые.
ПОТЕНЦИАЛ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ
Работа, совершаемая силами поля при относительном изменении положения двух зарядов, равна:
.
Пусть теперь один заряд q1 =Qзакреплён неподвижно, так что перемещаться будет второй зарядq2 =q, поэтому выражение для работы примет вид:
.
Энергетическая характеристика электростатического поля – отношение энергии взаимодействия точечного заряда с полем W к величине этого заряда q называется потенциалом поля в данной точке:
.
Единица измерения потенциала: Вольт (В). 1 В =1 Дж/ 1 Кл.
Таким образом, если поле создается точечным зарядом Q, то на расстоянииRот него потенциал определяется по формуле (С=0):
.
Тогда, с учетом определения потенциала работу сил поля по перемещению заряда qможно записать в виде:
.
Т.е. разность потенциалов между двумя точками поля – это отношение работы сил поля (кулоновских сил) по переносу заряда между этими точками к величине этого заряда:
.
В частности, если заряд qудаляется от зарядаQна очень большое расстояние (RКОН=), то
,
где
.
Тогдапотенциал данной
точки поля можно определить
какотношение работы
сил поля по перемещению заряда q
из данной точки поля на очень большое
расстояние (говорят «на бесконечность»)
к величине этого заряда.
Поверхности в пространстве, на которых потенциал остается постоянным, называются эквипотенциальными поверхностями.
Силовые линии направлены перпендикулярно эквипотенциальным поверхностям в каждой их точке.
