Работа сил электрического поля при перемещении заряда.
Как следует из закона Кулона, сила,
действующая на точечный заряд q в
электрическом поле, созданном другими
зарядами, является центральной. Напомним,
что центральной называется сила, линия
действия которой направлена по
радиус-вектору, соединяющему некоторую
неподвижную точку О (центр поля) с любой
точкой траектории. Из «Механики»
известно, что все центральные силы
являются потенциальными. Работа этих
сил не зависит от формы пути перемещения
тела, на которое они действуют, и равна
нулю по любому замкнутому контуру (пути
перемещения). В применении к
электростатическому полю (рис.2.10):
.
Рис.2.10. К определению работы сил электростатического поля.
То есть, работа сил поля по перемещению заряда q из точки 1 в точку 2 равна по величине и противоположна по знаку работе по перемещению заряда из точки 2 в точку 1, независимо формы пути перемещения. Следовательно, работа сил поля по перемещению заряда может быть представлена разностью потенциальных энергий заряда в начальной и конечной точках пути перемещения:
.
Введем потенциал электростатического поля φ, задав его как отношение:
, (размерность
в СИ: ).
Тогда работа сил поля по перемещению точечного заряда q из точки 1 в точку 2 будет:
Разность
потенциалов
называется
электрическим напряжением. Размерность
напряжения, как и потенциала, [U] = B.
Считается,
что на бесконечности электрические
поля отсутствуют, и значит.
Это
позволяет дать определение потенциала
как работы, которую нужно совершить,
чтобы переместить заряд q = +1 из
бесконечности в данную точку пространства.
Таким образом, потенциал электрического
поля является его энергетической
характеристикой
Циркуляция вектора напряженности электрического поля. Потенциал электростатического поля. Эквипотенциальные поверхности.
Циркуляцией вектора напряженности называется работа, которую совершают электрические силы при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому пути L (13.18)
Так как работа
сил электростатического поля по
замкнутому контуру равна нулю (работа
сил потенциального поля), следовательно
циркуляция напряженности электростатического
поля по замкнутому контуру равна нулю.
Потенциал электростатического поля. Поле консервативной силы может быть описано не только векторной функцией, но эквивалентное описание этого поля можно получить, определив в каждой его точке подходящую скалярную величину. Для электростатического поля такой величиной является потенциал электростатического поля, определяемый как отношение потенциальной энергии пробного заряда q к величине этого заряда, j = Wп / q, откуда следует, что потенциал численно равен потенциальной энергии, которой обладает в данной точке поля единичный положительный заряд. Единицей измерения потенциала служит Вольт (1 В).
Эквипотенциальная поверхность — понятие, применимое к любому потенциальному векторному полю, например, к статическому электрическому полю или к ньютонову гравитационному полю (Гравитации). Эквипотенциальная поверхность — это поверхность, на которой скалярный потенциал данного потенциального поля принимает постоянное значение. Другое, эквивалентное, определение — поверхность, в любой своей точке ортогональная силовым линиям поля.
Поверхность проводника в электростатике является эквипотенциальной поверхностью. Кроме того, помещение проводника на эквипотенциальную поверхность не вызывает изменения конфигурации электростатического поля. Этот факт используется в методе изображений, который позволяет рассчитывать электростатическое поле для сложных конфигураций.
В гравитационном поле уровень неподвижной жидкости устанавливается по эквипотенциальной поверхности. В частности, по эквипотенциальной поверхности гравитационного поля Земли проходит уровень океанов. Эквипотенциальная поверхность уровня океанов, продолженная на поверхность Земли, называется геоидом и играет важную роль в геодезии.
8.электрическое поле в диэлектриках. Полярные и неполярные диэлектрики. Поляризация диэлектриков. Сигнетоэлектрики.
Поляризация диэлектриков
В отличие от проводников, в диэлектриках электроны не являются свободными и не могут перемещаться под действием сил со стороны электрического поля. Поэтому в диэлектриках, находящихся в электрическом поле электроны не собираются на одном из концов. Вместо этого происходит смещение зарядов внутри молекул (в неполярных молекулах) или поворот всех молекул в одну сторону (в полярных молекулах). Такие процессы в диэлектриках под действием электрического поля называются поляризацией. Вследствие поляризации в диэлектриках возникает свое собственное электрическое поле, направленное противоположно внешнему полю.
Сегнетоэле́ктрики (названы по первому материалу, в котором был открыт сегнетоэлектрический эффект — сегнетова соль) — твёрдые диэлектрики (некоторые ионные кристаллы и пьезоэлектрики), обладающие в определённом интервале температур собственным электрическим дипольным моментом, который может быть переориентирован за счёт приложения внешнего электрического поля. Сегнетоэлектрические материалы обладают гистерезисом по отношению к электрическому дипольному моменту.
В англоязычной литературе для обозначения явления применяется термин ферроэлектрики (образовано по аналогии с ферромагнетиками)
Типичный представитель сегнетоэлектриков — сегнетова соль, двойная соль винной кислоты KNaC4H4O6·4Н2О; именно её название лежит в основе термина «сегнетоэлектрик». К сегнетоэлектрикам с более простой структурой относят целый ряд кристаллов со структурой перовскита, например, титанат бария BaTiO3, титанат свинца PbTiO3, а также их твердые растворы (цирконат-титанат свинца), ниобат лития LiNbO3.