Потенціал електричного поля

Важливою властивістю електричного поля, як поля не має вихорів і створеного одними нерухомими джерелами, є його потенційність.

Електричне поле називається потенційним, якщо робота, яку робить носій заряду в такому полі, при переміщенні його по будь-якому замкнутому контуру дорівнює нулю.

Гравітаційне поле сили тяжіння також є потенційним. Якщо підняти вантаж визначеної маси на деяку висоту, а потім опустити його назад на поверхню Землі, в колишню точку, то повна механічна робота буде також дорівнює нулю. Причому, абсолютно не важливо по якій траєкторії здійснювався підйом і спуск вантажу. Джерелом такого гравітаційного поля є в цьому прикладі Земля (тіло з масою в багато разів більшою ніж маса вантажу, що піднімається).

Електростатичне поле, тобто таке поле, яке утворено нерухомими електричними зарядами, також володіє аналогічною потенційністю. Робота носія заряду при його переміщенні по замкнутому контуру в електростатичному полі буде дорівнювати нулю. Траєкторія такого переміщення замкнута і називається контуром і ця траєкторія може бути будь-якого виду, принципове значення має її замкнутість, а не форма.

Потенціал електростатичного поля

На малюнку зображені різні траєкторії руху заряду в електростатичному полі плоского конденсатора. Не має значення яким маршрутом рухався заряд (картинка зліва), вчинений нею робота буде однаковою, тобто A1 = A2 = A3. На правому зображенні показано рух заряду по замкнутому контуру. Початкова і кінцева точки поля збігаються. Заряд рухався з точки 1, потім 2, 3, і знову прибув в точку 1, тим самим утворивши замкнуту траєкторію, тобто контур. У цьому випадку говорять, що вчинений нею механічна робота дорівнює нулю.

потенціал

Так як електростатичне поле є потенційним, то в ньому кожна точка простору має потенціал характеризує це поле. Для гравітаційного поля це буде гравітаційний потенціал, а для електричного – електричний потенціал. Що ж таке потенціал і як він визначається?

Потенціалом φ точки електричного поля називається робота, яку потрібно затратити, щоб перемістити заряд + q в кількості одного Кулона з нескінченності в дану точку поля, або ж робота по переміщенню цього ж заряду + q з даної точки в нескінченність.

З визначення потенціалу виходить, що потенціал – це показник характеризує роботу заряду, тобто це по-суті енергетична характеристика поля. Що ж слід розуміти під нескінченністю? Це все-таки деяку відстань, а не математичне поняття ∞. Під нескінченністю у визначенні потенціалу слід розуміти таку відстань в просторі, на якому полі можна вважати рівним нулю, тобто напруженість поля в ній настільки мала, що її можна прийняти за нуль. Силові лінії електричного поля одиночного заряду йдуть в нескінченність і навіть в цій нескінченності з протилежного боку цілком може зустрінеться заряд протилежного знака, і тоді ці дві нескінченності зустрінуться. Ось таке місце зустрічі і є те місце, де вплив поля одиночного заряду дорівнює нулю. Це місце нульового потенціалу, де потенціал φ = 0, після переходу цієї зони нульового потенціалу його значення змінять свій знак. У реальному природі, у всесвіті, кожен заряд має свою протилежну пару і тому точка нескінченності – це точка рівноваги, балансу.

З практичних міркувань буває зручно прийняти деяку лінію або поверхню (еквіпотенціальною) дорівнює нулю. Це означає, що відносно певного джерела електричного поля вона все ж має деяке значення, але приймається за нуль з практичної необхідності. Виходить обґрунтована відносна система відліку потенціалів поля. На цей рахунок є аналогія з гравітаційним полем Землі (відлік від рівня моря), коли вплив гравітації Сонця несуттєво, але для високих орбіт космічних супутників слід враховувати і гравітацію Сонця. При значному наближенні космічного апарату до Місяця, вплив гравітаційного потенціалу Місяця стане першорядним і потрібно місячна система відліку. Подібним чином йдуть справи і з електричним полем Землі. Якщо у фізиці при розгляді теоретичних питань вибирають нескінченність, то в електротехніці чинять інакше, і приймають за нульовий потенціал поверхню Землі. Відповідно на певній висоті від поверхні Землі, в атмосфері, потенціал матиме деякий відмінне від нуля значення.

В якому випадку поняття потенціалу втрачає сенс? Якщо при русі заряду по різних траєкторіях буде учиняться різна робота, тобто вона буде залежати від форми шляху, то тут потенціал поля не має сенсу. Отже, поняття потенціалу відноситься тільки до потенційного полю.

 

...
ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Елементи