Занятие 3 Тема: “Работа перемещения заряда в электростатическом поле. Потенциал электростатического поля”
Преподаватель: Малацион Светлана Фиаловна
Цель занятия:
Усвоить фундаментальные понятия и законы электростатики
Задача занятия:
Закрепить теоретический материал лекции на тему “Работа перемещения заряда в электростатическом поле. Потенциал электростатического поля” на примере решения конкретных задач.
Компетенции, формируемые на занятии:
– способность к кооперации с коллегами, работе в коллективе (ОК-3);
– способность выявлять естественно-научную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлекать для их решения соответствующий физико-математический аппарат (ПК-2);
Студент должен демонстрировать следующие результаты:
1) знать: основные физические законы электростатики;
2) уметь: использовать для решения прикладных задач основные законы и понятия электростатики;
3) владеть: навыками описания основных физических явлений и решения типовых задач.
Ключевые
слова:
Работа
силы
при перемещении заряда
,
циркуляция вектора напряженности,
потенциальная
энергия заряда
в поле заряда q,
потенциал электростатического поля,
принцип суперпозиции (наложения)
электростатических полей, разность
потенциалов двух точек 1 и 2 в
электростатическом поле,
градиент
потенциала (связь между
и φ), эквипотенциальные поверхности.
Основные понятия и законы
Работа силы при перемещении заряда на конечном пути в поле заряда Q из точки 1 в точку 2:
.
Рис. 1 Работа силы при перемещении заряда
в поле заряда Q из точки 1 в точку 2
Работа
не зависит от формы траектории, а
определяется начальным и конечным
положением заряда
.
Следовательно, электростатическое поле
точечного заряда – потенциально, а сила
Кулона – консервативная сила.
Циркуляции вектора напряженности - это интеграл
Интегрирование производится по любому замкнутому контуру (пути) L.
Теорема о циркуляции вектора : Циркуляция вектора напряженности электростатического поля вдоль любого замкнутого контура равна нулю.
Физический смысл циркуляции вектора напряженности: это работа по перемещению единичного положительного заряда по замкнутому пути.
Равенство циркуляции нулю означает, что электростатическое поле потенциально.
Потенциальная энергия заряда в поле заряда q на расстоянии r от него:
.
Потенциал
электростатического поля
– это скалярная физическая величина,
определяемая потенциальной энергией
единичного положительного заряда,
помещенного в данную точку поля:
.
Это энергетической
характеристика электростатического
поля. Единица
потенциала:
.
Потенциал поля
точечного заряда:
,
r
– расстояние от данной точки до заряда
q,
создающего поле,
– электрическая постоянная.
Принцип
суперпозиции (наложения) электростатических
полей:
если поле
создается системой n
точечных зарядов
,
,…
,
то потенциал поля системы зарядов равен
алгебраической сумме потенциалов полей
всех этих зарядов:
.
Работа по перемещению заряда равна произведению перемещаемого заряда на разность потенциалов в начальной и конечной точках
Разность потенциалов двух точек 1 и 2 в электростатическом поле определяется работой, совершаемой силами поля, при перемещении единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2:
.
Градиент потенциала - это скорость изменения потенциала в пространстве. Напряженность поля равна градиенту потенциала со знаком «» (cвязь между напряженностью и потенциалом φ).
или
.
Знак «» показывает, что вектор напряженности направлен в сторону убывания потенциала!
Эквипотенциальные поверхности - это поверхности, во всех точках которых потенциал φ электростатического поля имеет одно и то же значение.
Например:
Потенциал поля точечного заряда
.
Эквипотенциальные поверхности в данном
случае представляют собой сферы.
Рис. 2 Линии напряженности (сплошные линии) и сечения эквипотенциальных поверхностей (штриховые линии) поля
положительного точечного заряда
Вектор всегда нормален к эквипотенциальным поверхностям!