- •Міністерство освіти і науки України Юрій Угрин, Роман Пелещак, Володимир Штим Опис електромагнетних явищ способом розв’язування задач
- •Передмова
- •Розділ і. Електростатика Тема 1. Електричний заряд
- •Фізичні величини
- •Постулати
- •Тема 2. Закон Кулона
- •Тема 3. Електричне поле і його напруженість
- •Тема 4. Принцип суперпозиції електричних полів
- •Тема 5. Диполь
- •Тема 6. Потік електричної індукції. Теорема Остроградського –Гауса
- •Тема 7. Обчислення напруженостей електричних полів на основі теореми Остроградського–Гауса
- •Тема 8. Потенціял електростатичного поля
- •Тема 9. Потенціяльність електростатичного поля
- •Тема 10. Зв'язок між напруженістю і потенціялом
- •Тема 11. Провідник в електричному полі
- •Тема 12. Діелектрик в електричному полі
- •Тема 13. Електричне поле на межі середовищ
- •Тема 14. Електроємність
- •Тема 15. Конденсатори
- •Тема 16. Потенціяльна енергія взаємодії точкових зарядів. Енергія електричного поля
Тема 8. Потенціял електростатичного поля
Фізичні величини
Потенціял електростатичного поля в певній точці простору – це відношення роботи, яку слід виконати при переміщенні точкового заряду з цієї точки у нескінченність до величини цього заряду (позначення
):
![]()
Але
згадана робота є потенціяльною енергією
цієї точки поля
тому потенціял можна записати і так:
![]()
Різниця потенціялів – різниця між потенціялами двох точок поля (позначення
):
![]()
Задачі
(31) Покажемо, що якщо в заданій точці простору є не одне, а багато полів, то потенціял в цій точці дорівнюватиме сумі потенціялів, створених кожним із полів.
Згідно з принципом суперпозиції полів, можемо вважати, що в цій точці простору присутнє лише одне поле, яке має відповідні характеристики – напруженість та потенціял. Цей потенціял згідно з означенням
![]()
Але роботу А результативного поля можна представити як суму робіт, виконаних окремими полями, тому
![]()
Кожен з доданків в останній формулі – це потенціял відповідного поля, тобто
![]()
Отже, потенціял в певній точці дорівнює сумі потенціялів, створених кожним із полів:
![]()
(32)
На основі означення потенціялу встановимо
вираз для потенціялу поля точкового
заряду
в точці, яка є на відстані
від цього заряду.
Спочатку
обчислимо роботу, яку виконує сила
поля (чи зовнішня сила проти
поля) при переміщенні пробного заряду
з заданої точки в нескінченність.
Оскільки сила зменшується під час
переміщення (бо це сила кулонівської
взаємодії між зарядами
та
),
то застосуємо формулу роботи змінної
сили:

д
е
,
бо
це кут між векторами
і
(мал. 26).
Згідно з означенням потенціялу
![]()
(
33)На
основі принципу додавання потенціялів
та виразу для потенціялу поля точкового
заряду встановимо вираз для потенціялу
поля точкового
диполя.
Потенціяли
поля зарядів
та
відповідно є:
![]()
та
![]()
де
і
– відстані від відповідних зарядів
до заданої точки. Тому потенціял поля
диполя:
![]()
Для
точкового диполя потенціял можна
виразити через кут
та відстань
від заданої точки до диполя. З мал. 27
видно, що![]()
тому вираз для потенціялу поля
точкового диполя буде мати вигляд:
![]()
(34) Знайдемо метод обчислення потенціялу, створеного будь-яким неточковим зарядженим тілом.
Р
озділимо
заряджене тіло на нескінченну кількість
нескінченно малих частин і будемо
вважати їх точковими зарядами
.
Тоді потенціял в певній точці на
відстані
від заряду
,
створений цим точковим зарядом,
буде (мал. 28)
![]()
Для
того, щоб обчислити потенціял, створений
усім тілом, слід, опираючись на принцип
додавання потенціялів, додати всі
потенціяли, створені окремими зарядами
,
що в цій ситуації означає: проінтегрувати
по всьому тілу. Тому
![]()
Проте
інтегрувати за зарядами важко, тому
перейдемо до інтегрування за
об’ємом, представивши
як
де
– об’ємна густина заряду. Тоді
![]()
(35) Знайдемо вираз для потенціялу поля, створеного рівномірно зарядженим диском у будь-якій точці на його осі.
Р
озділимо
диск на нескінченну кількість малих
точкових зарядів
Тоді кожен з них в заданій точціР
буде створювати поле з потенціялом
![]()
Застосувавши принцип додавання потенціялів, та виразивши заряд через його поверхневу густину, потенціял, створений диском, представимо
![]()
Вибираємо
довільний елемент площі
як показано на мал. 29. Тоді
![]()
Відстань
від елементарної площі до заданої точки
представимо через
і
як
а елемент довжини
– через кут
як
.
Маємо

