5. Работа сил электростатического поля при перемещении зарядов. Циркуляция вектора напряженности.

Если в электростатическом поле точечного заряда Q из точки 1 в точку 2 вдоль про­извольной траектории (рис. 132) переме­щается другой точечный заряд Q₀, то сила, приложенная к заряду, совершает работу. Работа силы F на элементарном переме­щении dl равна

Работа при перемещении заряда Q₀ из точки 1 в точку 2

не зависит от траектории перемещения, а определяется только положениями на­чальной 1 и конечной 2 точек. Следовательно, электростатическое поле точечного заряда является потенциаль­ным, а электростатические силы — консер­вативными (см. §12).

И з формулы (83.1) следует, что рабо­та, совершаемая при перемещении элек­трического заряда во внешнем электроста­тическом поле по любому замкнутому пути L, равна нулю, т. е.

Если в качестве заряда, переносимого в электростатическом поле, взять единич­ный точечный положительный заряд, то элементарная работа сил поля на пути dl равна Еdl=E_ldl, где E_l=Ecos — про­екция вектора Е на направление элемен­тарного перемещения. Тогда формулу (83.2) можно записать в виде

Интеграл

называется циркуляцией вектора напряженности. Следо­вательно, циркуляция вектора напряжен­ности электростатического поля вдоль лю­бого замкнутого контура равна нулю. Силовое поле, обладающее свойством (83.3), называется потенциальным. Из об­ращения в нуль циркуляции вектора Е следует, что линии напряженности элек­тростатического поля не могут быть за­мкнутыми, они начинаются и кончаются на зарядах (соответственно на положи­тельных или отрицательных) или же ухо­дят в бесконечность.

Формула (83.3) справедлива только для электростатического поля. В дальней­шем будет показано, что для поля движу­щихся зарядов условие (83.3) не выпол­няется (для него циркуляция вектора на­пряженности отлична от нуля).

6. Потенциал, разность потенциалов. Эквипотенциальные поверхности. Связь между напряженностью и потенциалом.

Тело, находящееся в потенциальном поле сил (а электростатическое поле является потенциальным), обладает потенциальной энергией, за счет которой силами поля совершается работа (см. §12). Как из­вестно (см. (12.2)), работа консерватив­ных сил совершается за счет убыли по­тенциальной энергии. Поэтому работу

(83.1) сил электростатического поля мож­но представить как разность потенциаль­ных энергий, которыми обладает точечный заряд Q₀ в начальной и конечной точках поля заряда Q:

откуда следует, что потенциальная энер­гия заряда Q₀ в поле заряда Q равна

Она, как и в механике, определяется не однозначно, а с точностью до произволь­ной постоянной С. Если считать, что при удалении заряда в бесконечность (r->) потенциальная энергия обращается в нуль (U=0), то С=0 и потенциальная энергия заряда Q₀, находящегося в поле заряда Q на расстоянии r от него, равна

Для одноименных зарядов Q₀Q>0 и по­тенциальная энергия их взаимодействия (отталкивания) положительна, для разно­именных зарядов Q₀Q<0 и потенциаль­ная энергия их взаимодействия (притяже­ния) отрицательна.

Если поле создается системой n точеч­ных зарядов Q₁, Q₂, ..., Q_n, то работа электростатических сил, совершаемая над зарядом Q₀, равна алгебраической сумме работ сил, обусловленных каждым из за­рядов в отдельности. Поэтому потенциаль­ная энергия U заряда Q₀, находящегося в этом поле, равна сумме его потенциаль­ных энергий U_i, создаваемых каждым из зарядов в отдельности:

Из формул (84.2) и (84.3) вытекает, что отношение U/Q₀ не зависит от Q₀ и является поэтому энергетической харак­теристикой электростатического поля, на­зываемой потенциалом:

=U/Q₀. (84.4)

Потенциал  в какой-либо точке элек­тростатического поля есть физическая ве­личина, определяемая потенциальной энергией единичного положительного за­ряда, помещенного в эту точку.

Из формул (84.4) и (84.2) следует, что потенциал поля, создаваемого точечным зарядом Q, равен

Работа, совершаемая силами элек­тростатического поля при перемещении заряда Q₀ из точки 1 в точку 2 (см. (84.1), (84.4), (84.5)), может быть представлена как

A₁₂==U₁-U₂=Q₀(₁-₂), (84.6)

т. е. равна произведению перемещаемого заряда на разность потенциалов в началь­ной и конечной точках. Разность потенци­алов двух точек 1 и 2 в электростатиче­ском поле определяется работой, соверша­емой силами поля, при перемещении единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2.

Работа сил поля при перемещении за­ряда Q₀ из точки 1 в точку 2 может быть записана также в виде

Приравняв (84.6) и (84.7), придем к вы­ражению для разности потенциалов:

где интегрирование можно производить вдоль любой линии, соединяющей началь­ную и конечную точки, так как работа сил электростатического поля не зависит от траектории перемещения.

Если перемещать заряд Q₀ из произ­вольной точки за пределы поля, т. е. в бес­конечность, где по условию потенциал ра­вен нулю, то работа сил электростатиче­ского поля, согласно (84.6),

A_=Q₀,

Таким образом, потенциал — физическая величина, определяемая работой по пере­мещению единичного положительного за­ряда при удалении его из данной точки в бесконечность. Эта работа численно рав­на работе, совершаемой внешними силами (против сил электростатического поля) по перемещению единичного положительного заряда из бесконечности в данную точку поля.

Из выражения (84.4) следует, что еди­ница потенциала — вольт (В): 1В есть потенциал такой точки поля, в которой заряд в 1 Кл обладает потенциальной энергией 1 Дж (1В=1Дж/Кл). Учиты­вая размерность вольта, можно показать, что введенная в § 79 единица напряжен­ности электростатического поля дейст­вительно равна 1 В/м: 1Н/Кл=1Н• м/(Кл•м)=1 Дж/(Кл•м)=1 В/м.

Из формул (84.3) и (84.4) вытекает, что если поле создается несколькими за­рядами, то потенциал поля системы за­рядов равен алгебраической сумме потен­циалов полей всех этих зарядов:

Найдем взаимосвязь между напряженно­стью электростатического поля, являю­щейся его силовой характеристикой, и по­тенциалом — энергетической характери­стикой поля.

Работа по перемещению единичного точечного положительного заряда из одной точки в другую вдоль оси х при условии, что точки расположены бесконечно близко друг к другу и x₂-x₁=dx, равна E_xdx. Та же работа равна ₁-₂=-d Прирав­няв оба выражения, можем записать

E_x=-д/дx, (85.1)

где символ частной производной подчерки­вает, что дифференцирование производит-

ся только по х. Повторив аналогичные рассуждения для осей у и z, можем найти вектор Е:

где i, j, k — единичные векторы коорди­натных осей х, у, z.

Из определения градиента (12.4) и (12.6) следует, что

т. е. напряженность Е поля равна гради­енту потенциала со знаком минус. Знак минус определяется тем, что вектор на­пряженности Е поля направлен в сторону убывания потенциала.

Для графического изображения рас­пределения потенциала электростатиче­ского поля, как и в случае ноля тяготения (см. §25), пользуются эквипотенциальны­ми поверхностями — поверхностями, во всех точках которых потенциал  имеет одно и то же значение.

Если поле создается точечным заря­дом, то его потенциал, согласно (84.5),

=(1/4₀)Q/r. Таким образом, эквипотенциальные поверхности в данном случае — концентрические сферы. С дру­гой стороны, линии напряженности в слу­чае точечного заряда — радиальные пря­мые. Следовательно, линии напряженно­сти в случае точечного заряда перпенди­кулярны эквипотенциальным поверхно­стям.

Линии напряженности всегда нормаль­ны к эквипотенциальным поверхностям. Действительно, все точки эквипотенциаль­ной поверхности имеют одинаковый по­тенциал, поэтому работа по перемещению заряда вдоль этой поверхности равна ну­лю, т. е. электростатические силы, дей­ствующие на заряд, всегда направлены по нормалям к эквипотенциальным поверхно­стям. Следовательно, вектор Е всегда нор­мален к эквипотенциальным поверхно­стям, а поэтому линии вектора Е ортого­нальны этим поверхностям.

Эквипотенциальных поверхностей во­круг каждого заряда и каждой системы

зарядов можно провести бесчисленное множество. Однако их обычно проводят так, чтобы разности потенциалов между любыми двумя соседними эквипотенциаль­ными поверхностями были одинаковы. Тогда густота эквипотенциальных повер­хностей наглядно характеризует напря­женность поля в разных точках. Там, где эти поверхности расположены гуще, на­пряженность поля больше.

Итак, зная расположение линий на­пряженности электростатического поля, можно построить эквипотенциальные по­верхности и, наоборот, по известному рас­положению эквипотенциальных поверхностей можно определить в каждой точке поля величину и направление напряжен­ности поля. На рис. 133 для примера по­казан вид линий напряженности (штрихо­вые линии) и эквипотенциальных повер­хностей (сплошные линии) полей положи­тельного точечного заряда (а) и за­ряженного металлического цилиндра, име­ющего на одном конце выступ, а на другом—впадину (б).

Вычисление разности потенциалов по напряженности поля

Установленная в § 85 связь между напря­женностью поля и потенциалом позволяет по известной напряженности поля найти разность потенциалов между двумя про­извольными точками этого поля.

Поле равномерно заряженной бесконеч­ной плоскости определяется формулой (82.1): E=/(2₀), где  — поверхностная плотность заряда. Разность потенциалов между точками, лежащими на расстояниях х₁, и x₂ от плоскости

(используем формулу (85.1)), равна

Поле двух бесконечных параллельных разноименно заряженных плоскостей определя­ется формулой (82.2): Е=/₀, где  — повер­хностная плотность заряда. Разность потенциа­лов между плоскостями, расстояние между ко­торыми равно d (см. формулу (85.1)), равна