- •11 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.
- •Потенциал электрического поля
- •Связь напряженности 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, называемая дивергенцией этого векторного поля
.
Теорема Остроградского-Гаусса гласит
поток векторного поля через замкнутую поверхность, ориентированную наружу, равен интегралу от дивергенции этого поля по объёму, охваченному этой поверхностью
.
Смысл дивергенции
Рассмотрим выпуклую поверхность, охватывающую достаточно малый объём. Тогда по теореме о среднем для интеграла
.
П
редположим,
что векторное поле втекает внутрь объёма
V, т.е. в каждой точке
поверхности S векторы
направлены против векторов нормалей
.
Поэтому в каждой точке скалярное
произведение
отрицательно.
Тогда
интеграл
.
Так как величина объёма V>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 случае стока или
источника поля, при стягивании
поверхности S в точку,
векторное поле становится похожим на
картину силовых линий точечных зарядов.
В этом
случае положительные заряды являются
источниками электрического 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
.
Но
,
поэтому
Так как вихревое поле не имеет источников, то его силовые линии нигде не разрываются, т.е. они непрерывные и замкнутые.
Потенциал электрического поля
Работа, совершаемая силами поля, при относительном изменении положения двух зарядов, равна:
.
Пусть теперь один заряд q1=Q закреплен неподвижно, так что перемещаться будет второй заряд q2=q, поэтому выражение для работы примет вид
.
Энергетическая характеристика электрического 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 расстоянии R от него потенциал определяется по формуле (С=0)
.
Тогда, с учетом определения потенциала работу сил поля по перемещению заряда q можно 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 q удаляется от заряда Q на очень большое расстояние (RКОН =), то
,
где
.
Тогда потенциал данной точки поля можно
определить как отношение 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.
