84634

Энергетическая характеристика электрического поля

Лекция

Физика

Потенциал электрического поля. Для характеристики электростатического поля вводят две величины: а силовая векторная характеристика напряженность; б энергетическая скалярная характеристика потенциал. 1 Потенциал электростатического поля.

Русский

2015-03-20

140 KB

7 чел.

Лекция №9. Энергетическая характеристика электрического поля.

I. Потенциал электрического поля.

Электрическое поле не зависит от времени и является функцией координат. Для характеристики электростатического поля вводят две величины:

а) силовая векторная характеристика – напряженность;

б) энергетическая скалярная характеристика – потенциал.

Так как энергия заряда в электростатическом поле зависит от координат, то следовательно она является потенциальной энергией.

Пусть поле создается точечным зарядом Q и исследуется заряд q.

для точки В: q1 > q2 > q3 > q4 – величина пробного заряда

W1 > W2 > W3 > W4 – энергия заряда в точке В.

          (1)

Потенциал электростатического поля.

Величина, равная отношению потенциальной энергии заряда к величине заряда, помещенного в данную точку электростатического поля называется потенциалом поля.

СИ:    

Потенциальная энергия заряда в электростатическом поле есть относительная величина. Для получения численного значения потенциала в каждом конкретном случае следует выбрать энергетический уровень, относительно которого определяется запас энергии заряда.

Если поле образуется несколькими зарядами, то для нахождения потенциала результирующего поля используется принцип суперпозиции:

Принцип суперпозиции.

Потенциал результирующего поля равен алгебраической сумме потенциалов составляющих полей.

       (2)

II. Работа перемещения заряда в электрическом поле.

Пусть заряд q перемещается из точки 1 в точку 2.

Перемещение заряда под действием поля всегда происходит в сторону уменьшения потенциальной энергии от W1 к W2 (чем меньше потенциальная энергия W1, тело более устойчиво), тогда:

W1 – W2 = A = qφ1 – qφ2 = q(φ1 – φ2)

Работа перемещения заряда.

Работа электрических сил при перемещении заряда в электростатическом поле равна произведению величины заряда на убыль потенциала.

Следствия:

а) работа электростатического поля по перемещению заряда не зависит от формы пути, а зависит от положения начальной и конечной точек пути;

б) при перемещении заряда в поле по замкнутому пути работа равна нулю.

Электрические заряды располагаются на телах конечных размеров, поэтому и энергия электрических полей пространственно ограниченных зарядов должна быть конечна. Из этого следует, что их поле должно исчезать в бесконечности, т.е. φ = 0; E = 0.

Поэтому в теории электричества бесконечность с ее нулевым потенциалом условно принимается за уровень отсчета абсолютных значений потенциалов полей. Отсюда следует:

А = qφ) = –

       (3)

Потенциал электрического поля.

Электрический потенциал измеряется работой электрических сил по перемещению единицы положительного заряда из данной точки поля в бесконечность.

Существует и другой уровень отсчета – потенциал Земли. Земля имеет избыточный отрицательный потенциал относительно бесконечности, но его принимают как бы за «нулевую точку»: всякий потенциал, лежащий выше его, считается положительным, лежащий ниже отрицательным. Знак и величина потенциала относительно Земли определяется по работе перенесения заряда из данной точки поля на Землю.

Во многих электрических и радиотехнических устройствах различные их части заземляют. Это делается для сохранности низменного потенциала тех или иных проводящих элементов.

Напряжение.

Разность потенциалов (φ1φ2) называют напряжением U.

[U] = B.

III. Циркуляция вектора напряженности.

Рассмотрим произвольное перемещение заряда q в электростатическом поле. Элементарная работа dA, совершаемая силой , действующей на точечный заряд q, находящийся в электростатическом поле с напряженностью , равна:

dA = F·dℓ·cosα = E·q·cosα·dℓ

Полная работа на пути ℓ равна:

      (4)

Работа, которую совершают электрические силы при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому пути (контуру), представляется в виде:

       (5)

Зная, что A = 0 по замкнутому контуру, имеем (q  0):

Циркуляция вектора  электрического поля.

Величина – называется циркуляция вектора напряженности электростатического поля.

С точки зрения силовой характеристики нулевое значение циркуляции, а следовательно и работы, объясняется тем, что силовые линии не могут быть замкнутыми линиями. Поэтому при перемещении заряда по замкнутому контуру на одних участках работа электрических сил будет положительная, на других – отрицательная, а результирующая равна нулю.

IV. Эквипотенциальные поверхности.

В электрическом поле можно провести поверхность так, чтобы ее точки имели один и тот же потенциал.

Поверхность равного потенциала называется эквипотенциальной поверхностью.

Если потенциал задан как функция координат (x, y, z), то уравнение эквипотенциальной поверхности имеет вид:

φ(x, y, z) = const

Работа вдоль такой поверхности равна нулю, а это означает, что силы, действующие на заряд к направлению действия, а следовательно всегда направлены нормалью к поверхности равного потенциала.

              

                    

                 

                    

Силовые линии всегда к эквипотенциальным поверхностям.

Работа из точки 1 в точку 2 может быть записана

(6)       

Напряженность поля измеряется уменьшением потенциала, приходящимся на единицу длины вдоль силовой линии (“-“ означает, что напряженность направлена в сторону уменьшения потенциала).

СИ:    ,

Отсюда также следует, что электрические поля графически можно представлять или с помощью силовых линий или с помощью эквипотенциальных поверхностей.           

Беря предел отношения уравнения (6) при Δn → 0, получим:

Введя единичный вектор , совпадающий с направлением силовой линии, тогда векторное значение выразится формулой:

Напряженность электрического поля равна градиенту потенциала с обратным знаком:

       (7)

Таким образом, зная распределение потенциала, мы всегда можем определить проекцию напряженности поля на любое направление, а следовательно и сам вектор .

Легко показать, что для однородного поля

1 – φ2) = U = Ed

V. Расчёт электростатических полей различных заряженных тел.

а) поле точечного заряда Q:

СИ:    

(сравнить: с )

A = q(φ1 – φ2)

б) поле равномерно заряженной сферы

Потенциал электростатического поля шара радиуса R с зарядом Q, равномерно распределенным по его поверхности:

1) вне шара совпадает с потенциалом поля точечного заряда Q, помещенного в центре шара:

, где

r – расстояние от центра шара.

2) внутри шара потенциал постоянен и равен:

  

б) поле равномерно заряженной сферы.

Определим потенциал электростатического поля шара радиуса R с зарядом Q, равномерно распределенного по его поверхности.

1) вне шара: r >> R, выразим потенциал поля, создаваемого шаром, двояко:

2) на поверхности шара: r = R

3) внутри шара: r < R

Е = 0, а следовательно и во всех точках постоянен ( = const) и равен потенциалу на поверхности шара:


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

54360. SQL Server 2000. Система управления реляционными базами данных и анализа данных 908.5 KB
  Microsoft SQL Server 2000 является законченным решением в области управления базами данных и анализа данных, предназначенным для быстрого создания масштабируемых веб-приложений следующего поколения. Являясь базовым компонентом семейства. NET Enterprise Servers, он значительно ускоряет выпуск приложений электронной коммерции, бизнес-приложений и хранилищ данных, в то же время обеспечивая уровень масштабируемости...
54361. Робота з базою даних в програмі Microsoft Access. Створення форм 955.5 KB
  Мета уроку: навчитись проектуванню баз даних; оформлювати форми додавання в форму елементів керування; введення в форму даних; створення підпорядкованої таблиці в формі; використання проектних технологій у побудові форм; придбання практичних навичок створення форм; формувати навички свідомого планування своєї навчальної діяльності; розвивати: логічне та образного мислення; самостійність у засвоєнні навчального матеріалу; виховувати: впевненість у своїх силах колективізм; естетичність у оформленні форми;...
54362. Мифы Древней Греции. Верования древних греков 40 KB
  Цель: расширить кругозор учащихся; познакомить их с Грецией; рассказать о возникновении древнегреческих мифов, отражении в них представлений греков об окружающем их мире; стимулировать познавательный процесс, развивать коммуникативные способности учащихся; раскрыть потенциальные возможности детей; развивать творческие способности и интерес к литературе; воспитывать у учащихся инициативность в построении совместной учебной деятельности; формировать умение работать в группе.
54363. Мифы Древней Греции. Верования древних греков. Интегрированный урок 4.81 MB
  Мы предлагаем конспект интегрированного урока с использованием информационных и мультимедийных технологий на уроках литературы в 6 классе по теме Мифы Древней Греции. Овладеть знаниями о мифах Древней Греции не посетив страну пусть даже виртуально весьма трудно. Как же можно построить уроки по изучению мифов Древней Греции с использованием информационных и компьютерных технологий По программе на изучение этого...
54364. Свято – урок «Ой хто, хто Миколая любить» 42.5 KB
  Всі річки тепер в обнові біле скло над бережком Ходить зима по діброві застеляє все сніжком. Сніг сідав на усмішки і сміявся з усіма Бо прийшла до нас зима Пісня Зимонька Сорока. Йшла зимонька поміж полями Усміхнулася до зір...
54365. День Святого Миколая - душа весело співає 158 KB
  Хлопчик Краснії подарунки дітям приносить В кожен дім діти знають: з радістю приходить. Звучить чарівна мелодія зявляються дівчаткаянголи які виконують дивовижний танок сповіщаючи прихід Миколая стук у двері до господи входить Святий Миколай Вчитель Діти а хто до нас прийшов Діти Святий Миколай Св. Добрий день вам любі діти Діти Добрий день Св. Бачу ви усі привітні...
54366. Сценарій ранку «Ми чекаємо Святого Миколая» 60 KB
  Ми всі з нетерпінням чекаємо дня Святого Миколая. З лопатами і з піснею Працюємо разом 2куплет: Ми цю пісню будемо співати І всі дружно станем працювати Щоб Миколай прийшов до всіх Приніс дарунків повен міх 1 чортик Ну що ж мене вам не здолати я вам нашлю нову біду Чари мариТепер вас треба всіх розчарувати а для цього треба все про святого Миколая розповісти а ви про нього нічого і не знаєте.
54367. Народні свята. День Святого Миколая 81 KB
  Співом його привітаєм Разом пісню заспіваєм Співають пісню Ой хто хто Миколая любить Ой хто хто Миколая любить Ой хто хто Миколаю служить Тому святий Миколай На всякий час помагай Миколаю Ой хто хто спішить в твої двори Того ти на землі й на морі. Все хорониш від напасти Не даєш му в гріхи впасти Миколаю Ой хто хто к ньому прибігає На поміч його призиває Той все з горя вийде ціло Охоронить душу й тіло Миколаю Миколай молися за нами Благаєм тебе зі сльозами Ми тя будем вихваляти Ім'я твоє величати Миколаю 2...
54368. Свято Миколая 62.5 KB
  Коли святий Миколай З небес на землю йде То кожен дім і школа Мов вулик бджіл гуде. Це Святий Миколай. Як затанцюють за вікном сніжинки І білим килимом укриють край То знай що до Івася і Галинки Святий прибуде з неба Миколай. Я не хочу щоб Святий Миколай приходив до вас хвалив за якісь гарні вчинки дарував вам гостинці.