3. Поле сферического конденсатора

Обкладками сферического конденсатора являются две концентрические сферы (R₁иR₂). Сообщим этим поверхностям одинаковые по величине, но разноимённые заряды+qи–qи вычислим электрическое поле, создаваемое этими зарядами в пространстве (рис. 2.10.).

Сферы делят пространство на 3 области:

I— внутри первой сферы (r₁<R₁),

II— между обкладками (R₁r₂<R₂),

III— за пределами конденсатора (r₃>R₂).

Рис. 2.10.

Область I.

Выберем замкнутую гауссову поверхность внутри первой области. Разумно, руководствуясь соображениями симметрии, эту поверхность выбрать сферической (r₁).

Поток вектора напряжённости через эту поверхность (по определению потока) равен:

Этот поток, согласно теореме Гаусса, пропорционален заряду, заключённому внутри поверхности. Но внутри сферы радиуса r₁заряд отсутствует. Поэтому и поток равен нулю

(!)

Отсюда заключаем, что в области Iполе равно нулю

0 < r<R₁,E= 0 (2.18)

Область II.

Вновь в качестве замкнутой поверхности выберем сферу, но теперь её радиус r₂лежит в пределах отR₁доR₂.

Вычислим поток вектора напряжённости поля через эту гауссову поверхность.

Воспользуемся теорией Гаусса: :

Оказывается, что электрическое поле между обкладками сферического конденсатора неотличимо от поля точечного заряда

. (2.19)

Посмотрим теперь, как выглядит поле в области III.

Вновь выберем замкнутую гауссову сферическую поверхность (радиус r₃>R₂). Вычисляем поток вектора напряжённости

Этот поток равен нулю, так как он пропорционален алгебраической сумме зарядов, заключённых внутри этой поверхности. Но алгебраическая сумма одинаковых разноимённых зарядов равна нулю

Отсюда следует, что Е = 0 (r₃R₂)/

График Е=Е(r) приведён на рисунке 2.11.

Рис. 2.11.

Лекция 3 «Потенциал электростатического поля»

План лекции

3.1. Работа сил электростатического поля при перемещении заряда. Потенциал и разность потенциалов.

3.2. Теорема о циркуляции вектора напряжённости электростатического поля.

3.3. Связь напряжённости и потенциала электростатического поля.

3.4. Примеры расчёта потенциала электростатического поля.

3.4.1. Потенциал поля точечного заряда.

3.4.2. Разность потенциалов на обкладках сферического конденсатора.

Существуют две характеристики электрического поля. В любой точке пространства поле можно задать либо вектором напряжённости — это «силовая» характеристика поля, либо потенциалом — это его энергетическая характеристика.

Потенциал — энергетическая характеристика поля, связанная и с энергией заряда в электростатическом поле и с работой, совершаемой электрической силой при перемещении заряда.

3. Работа сил электростатического поля при перемещении заряда. Потенциал и разность потенциалов.

Рассмотрим произвольное перемещение (1–а–2) зарядаqв электростатическом поле. Пусть поле создаётся неподвижным точечным зарядомQ(рис. 3.1.). В процессе перемещения на зарядq действует кулоновская сила:

. (3.1)

Рис. 3.1.

Её работа на перемещении равна:

. (3.2)

Здесь dr=dlсos— толщина сферической оболочки, окружающей зарядQ. Полная работа электрической силы равна сумме работ на всех участках траектории:

. (3.3)

Теперь несложно показать, что эта работа не зависит от формы траектории и остаётся неизменной, если начальная и конечная точки траектории не меняют своего положения. Рассмотрим, например, перемещение того же заряда q из начальной точки 1 в конечную 2 по новой траектории 1–b–2. При преодолении прежнего сферического слоя на перемещенииэлектрическая сила совершит работу:

. (3.4)

Но ведь эта работа в точности совпадает с работой на перемещении dl(3.2) по первоначальной траектории 1–а–2.

Полная работа, равная сумме элементарных работ на всех участках новой траектории, будет равна работе электрической силы на траектории 1–а–2:

. (3.5)

Вспомним, что силы, работа которых не зависит от вида траектории и определяется только положением её начальной и конечной точек, называются консервативными.

Мы пришли к выводу, что кулоновская сила консервативна. Впрочем, ничего неожиданного в этом выводе нет: ведь сила взаимодействия двух точечных зарядов может быть отнесена к классу центральных сил, а все центральные силы, как было установлено в механике, консервативны.

Итак, вычислим работу кулоновской силы при перемещении заряда qиз точки 1 в положение 2 (по любой траектории):

(3.6)

Как и следовало ожидать, величина работы никак не связана с видом траектории. Она зависит только от положения её начальной (r₁) и конечной (r₂) точек.

В механике было показано, что работа консервативной силы равна убыли потенциальной энергии системы:

. (3.7)

Присмотримся внимательнее к результату (3.6):

.

Сопоставив этот результат с теоремой о работе консервативной силы (3.7), запишем уравнение:

,

из которого следует, что потенциальная энергия системы:

+const. (3.9)

Это потенциальная энергия системы двух точечных зарядов, или, что то же самое, энергия заряда qв электрическом поле точечного зарядаQ.

Константа в выражении (3.9) принимается обычно равной нулю. Это означает, что принимается равной нулю энергия взаимодействия зарядов qиQна бесконечном удалении их друг от друга (приr= ∞).Тогда на расстоянииrэнергия взаимодействия равна. (3.10)

Потенциальная энергия заряженной частицы в электрическом поле зависит, таким образом, от величины заряда qи от его положения в поле относительно зарядаQ, создающего поле.

Энергия единичного (q= 1) точечного заряда уже не будет связана с величиной этого пробного зарядаqи может быть принята в качестве энергетической характеристики данной точки электростатического поля:

.

Эта энергетическая характеристика поля получила название потенциал — .

Потенциал произвольной точки электростатического поля равен энергии единичного положительного заряда, помещённого в эту точку.

Можно придать потенциалу и иной физический смысл.

Поместим заряд qв поле точечного зарядаQ. Первоначально расстояние между зарядами —r. Отпустим зарядq. Под действием электрической силы отталкивания зарядqудалится в бесконечность (рис. 3.2.). На этом перемещении кулоновская сила совершит работу:

. (3.11)

Эта работа не зависит от формы траектории, поэтому мы её вычислили, считая, что заряд qудаляется по радиусу.

Рис. 3.2.

Сравнивая (3.10) и (3.11), заключаем, что:

. (3.12)

Потенциал некоторой точки электростатического поля равен работе, совершаемой электрической силой при эвакуации единичного положительного заряда из этой точки в бесконечность.

Теперь вычислим потенциал поля, созданного системой точечных зарядов Q₁,Q₂, …,Q_N.

При перемещении заряда qиз точки 1 в бесконечность электрическая сила совершит работу, равную алгебраической сумме работ сил, действующих на движущийся заряд со стороны зарядовQ₁,Q₂, …,Q_N(рис. 3.3.):

Рис. 3.3.

Согласно (3.12) работа каждой силы равна:

. (3.13)

Здесь — потенциал поля, создаваемого в точке 1 зарядомQ_i.

Таким образом, суммарная работа равна:

,

где .

Потенциал поля, созданного системой точечных зарядов, равен алгебраической сумме потенциалов, создаваемых в рассматриваемой точке каждым из зарядов в отдельности:

. (3.14)

Результат (3.14) известен как «принцип суперпозиции для потенциала». Это очень важный вывод, позволяющий использовать понятие потенциала не только для характеристики полей точечных зарядов, но и для любых произвольных электростатических полей.

Ещё раз обратимся к вычислению работы электрической силы при перемещении заряда qиз точки 1 теперь уже произвольного электростатического поля в бесконечность. Поскольку эта работа не зависит от формы траектории, унося заряд в бесконечность, пройдём предварительно точку 2 электростатического поля (рис. 3.4.).

Рис. 3.4.

Ясно, что вся работа на этом перемещении складывается из двух частей:

.

Разделив это равенство на величину переносимого заряда q, получим:

,

или:

. (3.15)

Здесь —разность потенциаловдвух точек поля. Она равна работе, совершаемой электрической силой при перемещении единичного заряда из первой точки во вторую:

. (3.16)

Таким образом, зная разность потенциалов двух точек поля, легко вычислить работу электрического поля, совершаемую при перемещении заряда qмежду этими точками:

. (3.17)

В международной системе единиц СИ потенциал (и разность потенциалов) измеряется в вольтах:

.

Разность потенциалов двух точек электростатического поля равна одному вольту, если при переносе заряда q= 1Кл между этими точками, электрическая сила совершает работуА(F_эл.) = 1 Дж.