Работа сил электрического поля. Потенциал
Вычислим работу, совершаемую силами поля неподвиж- ного точечного заряда q над перемещающимся в этом поле точечным зарядом (рис.4.6). Работа на элементарном пути dl равна
dA = F·dl·cosa = F·dr,
где dr = dl·cosa – изменение радиуса – вектора движущегося заряда.
Рис.4.6
Учитывая, что , получим
.
Выражение для работы на пути 1 – 2 будет иметь вид
. (4.14)
Таким образом, работа сил электростатического поля не зависит от пути перемещения электрического заряда, а зависит лишь от начального и конечного положения этого заряда ( и ). Следовательно, силы, действующие на заряд в поле неподвижного заряда q, являются консервативными. Полученный вывод справедлив для любого электростати- ческого поля.
Работа консервативных сил по замкнутому пути равна нулю, т.е.
.
Учитывая, что F =q×E, а E×cosa = – проекция вектора на направление элементарного перемещения dl, получим . Так как q ¹ 0, то
. (4.15)
Соотношение (4.15), называемое теоремой о циркуля- ции вектора , выполняется для любого замкнутого контура, и его следует рассматривать как критерий потенциальности электрического поля: циркуляция вектора напряженности электростатического поля вдоль любого замкнутого контура равна нулю.
Тело, находящееся в потенциальном поле сил, обладает потенциальной энергией, за счет которой совершается работа силами поля. Следовательно
. (4.16)
Из сравнения (4.16) и (4.14) следует, что потенциальная энергия заряда в поле заряда q на расстоянии r от него имеет вид
. (4.17)
Энергетической характеристикой поля являетсяпотенциал j – это физическая величина, численно равная потенциальной энергии единичного положительного заряда, помещенного в данную точку поля
. (4.18)
Подставляя в (4.18) значение потенциальной энергии (4.17), получим выражение для потенциала поля точечного заряда
. (4.19)
Потенциал поля, создаваемого системой зарядов, равен алгебраической сумме потенциалов, создаваемых каждым зарядом в отдельности:
, (4.20)
или . (4.21)
Из соотношения (4.18) вытекает, что заряд , находя- щийся в точке поля с потенциалом j, обладает потенци- альной энергией
. (4.22)
Следовательно, работа сил поля над зарядом может быть выражена через разность потенциалов
. (4.23)
Таким образом, работа, совершаемая над зарядом силами поля, равна произведению величины заряда на разность потенциалов в начальной и конечной точках.
Если заряд из точки с потенциалом j удаляется на бесконечность (где потенциал равен нулю), то работа сил поля будет равна
. (4.24)
Отсюда следует, что потенциал численно равен работе, которую совершают силы поля над единичным положитель- ным зарядом при удалении его из данной точки поля в бесконечность
. (4.25)