- •Практикум Омск 2006
- •Тема 1. Основные законы электростатики. Расчет напряженности и потенциала электростатического поля. Краткие теоретические сведения для решения задач
- •Электрический заряд. Закон сохранения заряда. Закон Кулона. Напряженность поля.
- •Принцип суперпозиции электрических полей
- •1.3. Поток напряжённости. Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме
- •1.4. Потенциал электростатического поля
- •1.6. Электрическое поле в диэлектрических средах. Дипольные моменты молекул диэлектрика. Поляризация диэлектрика
- •1.7. Теорема Гаусса для электростатического поля в среде
- •1.8. Условия для электростатического поля на границе раздела изотропных диэлектрических сред
- •Примеры решения задач
- •Решение
- •Р Рис.1.6ешение
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Задачи для аудиторных занятий
- •Домашнее задание
- •2.1. Работа сил электростатического поля по перемещению заряда
- •2.2. Проводники в электростатическом поле. Электроемкость проводника
- •2.3. Взаимная ёмкость. Конденсаторы
- •2.4. Потенциальная энергия системы точечных зарядов. Энергия заряженного проводника и электрического поля
- •Примеры решения задач
- •Решение
- •Теперь по второму закону Ньютона .
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Задачи для аудиторных занятий
- •Домашнее задание
- •Варианты домашнего задания
- •Библиографический список
1.4. Потенциал электростатического поля
Для электростатического поля справедлива теорема о циркуляции: Циркуляция вектора напряженности электростатического поля равна нулю:
.
Это соотношение, выражающее потенциальный характер электростатического поля, справедливо как в вакууме, так и в веществе. Отсюда следует, что заряд в электростатическом поле обладает потенциальной энергией.
Энергетической характеристикой электростатического поля служит его потенциал.
Потенциалом электростатического поля называется скалярная физическая величина , равная потенциальной энергии Wр положительного единичного точечного заряда, помещённого в рассматриваемую точку поля:
.
Потенциал поля точечного заряда qi в вакууме:
.
Принцип суперпозиции для потенциала:
=,
т. е. при наложении электростатических полей их потенциалы складываются алгебраически.
Если заряды распределены в пространстве непрерывно, то потенциал их поля в вакууме
= =.
Интегрирование проводится по всем зарядам, образующим рассматриваемую систему.
При изучении электростатических полей в каких-либо точках важны разности, а не абсолютные значения потенциалов в этих точках. Поэтому выбор точки с нулевым потенциалом определяется только удобством решения данной задачи. Связь между потенциалом и напряжённостью имеет вид
Ех = , Еу = , Еz = и = - grad ,
т. е. напряжённость электростатического поля равна по модулю и противоположна по направлению градиенту потенциала. В простейшем случае, когда напряженность и потенциал являются функциями одной координаты r, справедливо соотношение
Геометрическое место точек электростатического поля, в которых значения потенциалов одинаковы, называется эквипотенциальной поверхностью. Если вектор направлен по касательной к эквипотенциальной поверхности, то= 0 и Е = 0. Это означает, что вектор напряженности перпендикулярен эквипотенциальной поверхности в каждой точке, т. е. E = En.
1.5. Электрический диполь
Рис.1.3
В точке А, расположенной на оси диполя на расстоянии r от его центра (r>>l), напряжённость поля диполя в вакууме
.
В точке В, расположенной на перпендикуляре, восстановленном к оси диполя из его середины, на расстоянии r от центра (r>>l)
.
В произвольной точке С модуль вектора напряженности
,
где r - величина радиуса-вектора, проведенного от центра диполя к точке С; - угол между радиусом-вектором и дипольным моментом (рис.1.3).
Потенциал поля электрического диполя в точке С (рис. 1.3)
.
, М = р eЕ sin.
Электрическое поле совершает работу при ориентации диполя, поэтому электрический диполь во внешнем поле обладает потенциальной энергией
= - p eE cos,
где - угол между дипольным моментом и напряженностью поля (рис.1.4).