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

8 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

30987. Пластическая хирургия в ветеринарии 203.99 KB
  Это в нашей стране вышедшей из изоляции за последние 15 лет пластическая эстетическая хирургия претерпела настоящий бум. Термин же пластическая хирургия был введен Дезольдом в 1798 году. Хирургия пластическая восстановительная хирургия направление хирургии изучающее проблемы оперативного восстановления функции и формы частично или полностью утраченных органов исправления врождённых или приобретённых дефектов и деформаций устранения косметических недостатков. Пластическая хирургия подразделяется на реконструктивную и эстетическую.
30988. Клиническая диагностика 23.79 KB
  Наличие или отсутствие шумов или дополнительных тонов Различают два тона: Систолический при сокращении предсердий желудочков захлопыванием двух и трёх створчатых клапанов колебание стенок аорты и лёгочной артерии в момент систолы желудочков. Диастолический захлопывание полулунных клапанов аорты и лёгочной артерии колебаний этих сосудов в момент диастолы. Усиление второго тона может сопровождаться акцентом на аорте и лёгочной артерии возникает при повышении кровяного давления в большом круге кровообращения нефриты у лошадей при...
30989. ВИРОБНИЧО-ОРГАНІЗАЦІЙНА ТА ЕКОНОМІЧНА СТРУКТУРИЗАЩЯ ПІДПРИЄМСТВА 562 KB
  Іншими словами існування підприємства фірми повязується з тими перевагами які воно забезпечує у процесі виготовлення продукції порівняно з виробництвом тієї самої продукції без організації фірми. Сучасне підприємство це складна відкрита виробничогосподарська і соціальна система яка: складається із взаємозалежних частин виробництв цехів дільниць служб тощо діяльність яких впливає на кінцевий результат виробництва; взаємодіє із зовнішнім оточенням з якого в систему надходять необхідні для виробничої діяльності фактори...
30990. ПАТОЛОГИЧЕСКАЯ ФИЗИОЛОГИЯ (КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ) 159.5 KB
  Приводит к почечной недостаточности. Неблагоприятно холодное течение воспаления при нейротоксикозе при недостаточности фагоцитарных процессов. Гипоэргия и анергия проявляются в виде недостаточности той или иной системы. Это вызывает снижение бронхиальной проходимости вплоть до возникновения дыхательной недостаточности.
30991. ІНФОРМАТИКА та КОМП’ЮТЕРНА ТЕХНІКА 6.63 MB
  Інформаційна технологія – це людино – машинна технологія збору, обробки та передачі інформації. Це технологія, яка базується на обчислювальній техніці, швидко розвивається, охоплюючи усі види сучасної діяльності: виробництво, управління, науку, освіту, проектні розробки, торгівлю, фінансово-банківські операції, медицину, криміналістику, охорону оточуючого середовища, побут та інше.
30992. Электронная торговля 881.5 KB
  Многие крупные компании уже давно прибегают к электронному бизнесу, электронной коммерции при проведении деловых операций. Электронный обмен данными (Electronic Data Interchange, EDI) по частным компьютерным сетям начался в 60-годы XX века. Он представлял собой обмен документами в стандартном виде
30993. Характеристика кормів, технологія заготівлі та способи їх ефективного використання у годівлі поросят 191 KB
  Особливості обміну речовин у поросят на початку постнатального періоду 1.4 Розвиток внутрішніх органів у поросят за різних рівнів годівлі.5 Раціони режим і техніка годівлі поросят 1.
30995. Расчёты объёмов вентиляции по углекислоте и влажности в свинарнике 162 KB
  Комплексы по выращиванию и откорму свиней должны находиться на режиме предприятий закрытого типа. В производственную зону комплекса запрещается вход посторонним лицам и въезд на территорию транспорта, не связанного с обслуживанием комплекса. Обслуживающему персоналу разрешается вход на территорию комплекса только через санпропускник, а въезд транспорта- через дезинфекционно- промывочное помещение (дезбарьер).