Электрическое поле (для школьников). Урок 2.

Хочу поделиться личным опытом эффективной учёбы

Работа сделана по учебнику физики под редакцией Ландсберга, 2 том.

Освежим в памяти знания из механики.

Гравитационные силы обладают свойством консервативности. Это означает, что если тело под действием силы совершает замкнутый путь (то есть возвращается в ту же точку, откуда начало движение), совершаемая силой работа равна нулю, каким бы ни был пройденный телом путь. Следует, однако, уточнить, что это утверждение верно лишь в том случае, если мы не учитываем работу, затраченную на преодоление сил трения и изменение состояния тела (его нагрев, деформацию). Это же свойство (консервативности) присуще и силам электрического поля. Доказательство этого я здесь приводить не буду. Смотрите в учебнике.

Смотрим рис. 1. Допустим, в точке А в электрическом поле находится заряд. Далее он проходит путь через точки B, C, D и возвращается обратно в точку А. Здесь нас не интересует, какие силы, кроме электрического поля, двигают заряд, так что он проходит такой извилистый путь. Может, его на верёвочке тянут. Нас интересует работа, совершаемая при этом электрическим полем. Согласно свойству консервативности, она равна нулю.

Отношение работы, совершаемой электрическим полем при перемещении заряда из одной точки в другую, к этому заряду называется разностью потенциалов этих точек, или электрическим напряжением между этими точками. Мы уже знакомы с понятием напряжённости электрического поля.

Единицей напряжения является вольт. Вольт это такое напряжение между двумя точками, что при перемещении из одной точки в другую положительного заряда в один кулон совершается работа в один джоуль.

Иногда говорят о потенциале какой либо точки, но тогда подразумевают другую точку, взятую за эталон, и имеют в виду напряжение между этими точками.

Представьте себе множество всех точек в электрическом поле, напряжение между которыми равно нулю. Это множество представляет собой так называемую эквипотенциальную поверхность. На чертежах обычно изображают не саму эквипотенциальную поверхность, а её сечение плоскостью чертежа. Такое сечение называется эквипотенциальной линией. На чертежах удобно изображать только те эквипотенциальные линии, напряжение между которыми составляет целое число вольт, например, один вольт. Вот на рис. 2 эквипотенциальные линии точечного заряда. Я в первом уроке рассказывал, как на чертежах изображают линии электрического поля. Наложим на эквипотенциальные линии линии электрического поля (рис. 2-1). Как вы видите, в точках пересечения эквипотенциальные линии и линии электрического поля перпендикулярны.

Что даёт знание разности потенциалов (напряжения)? Обьясняю. Смотрим рисунок 3. Синим на нём показаны эквипотенциальные линии, красным - линии напряжённости поля. Точки A и B находятся на разных эквипотенциальных поверхностях (линиях), но на одной линии напряжённости поля. Допустим, разность потенциалов между точкой А и точкой В равна U (на рисунке это 2 вольта), а расстояние между точками А и В равно L . Допустим, заряд величиной Q перемещается из точки А в точку В.

Теперь сопоставим эти формулы (рис. 4) и выразим напряжённость поля через напряжение (рис. 4 позиция 5). Можно сделать важные выводы: Чем больше напряжение (U), тем больше напряжённость поля (E). При данном напряжении чем меньше расстояние (L), тем больше напряжённость.

На рисунке 3 линии напряжённости поля (красные, со стрелками) направлены вверх. То есть если заряд положительный, поле будет толкать его вверх. Если заряд находится в точке А, поле будет толкать его к точке В. Теперь смотрите, какое напряжение в точке А и в точке В. Напряжение также называется разностью потенциалов. В точке А потенциал больше. Вот что надо запомнить: Поле толкает положительный заряд в сторону убывания потенциала (говоря разговорным языком, к "минусу"), а отрицательный заряд, соответственно , "к плюсу" Доказательство: Вспомним формулу А=QU работа (по перемещению заряда между двумя точками) равна величине заряда, умноженной на разность потенциалов между этими точками (между первоначальной точкой и конечной точкой). Допустим, заряд положительный. Допустим, работа у нас положительна. Значит, разность потенциалов у нас тоже положительна. То есть потенциал в начальной точке больше, чем в конечной точке. А когда работа положительна? Когда перемещение совпадает с силой (в нашем случае с напряжённостью электрического поля). Значит, поле будет стремиться переместить положительный заряд в сторону убывания потенциала.

Это утверждение (про разность потенциалов) также относится и ко всем точкам поверхности проводника. То есть поверхность проводника является эквипотенциальной поверхностью. А линии электрического поля перпендикулярны этой поверхности. Об этом я толковал на уроке 1 и на уроке 2.

Допустим, мы имеем два изолированных проводника и между их поверхностями имеется разность потенциалов рис. 5 . Стало быть, имеется и электрическое поле. Соединим проводники металлической проволокой рис. 5-1 . Под действием поля заряды станут перемещаться, пока потенциалы проводников не сравняются и их поверхности, а также поверхность проволоки не образуют одну общую эквипотенциальную поверхность. От автора: когда мы проводники проволокой соединили, их можно рассматривать как один проводник, в котором заряды под действием поля равномерно распределяются.

Земля в целом является проводником. И её поверхность - поверхность эквипотенциальная. Поверхность Земли часто выбирают в качестве нулевой и измеряют разность потенциалов между Землёй и какой либо точкой. При этом для простоты говорят "потенциал точки", а не "разность потенциалов между точкой и Землёй". Выбор поверхности Земли в качестве нулевой эквипотенциальной поверхности является условным.

Первый урок     Третий урок     На домашнюю страницу