Потенциал электростатического поля и разность потенциалов

Диэлектрики в электростатическом поле

У диэлектриков в нейтральных атомах электроны и ядра связаны друг с другом и не могут перемещаться по всему объему. Положительный заряд атома расположен в центре ядра. Электрон движется вокруг ядра с большой скоростью, так, что в среднем по времени центр распределения отрицательного заряда приходится на середину атома, т.е. совпадает с положительным зарядом. Такие диэлектрики называются неполярные.

                                              

Некоторые диэлектрики в результате внутренних взаимодействий образуют системы из двух ионов с зарядами противоположных знаков (диполь), которые теперь не распределены симметрично по объему молекулы. Такие диэлектрики называются полярными.

                                                           

Если поместить полярный диэлектрик в электрическое поле, то на него будут действовать две силы (одна на положительный заряд, другая на отрицательный), которые повернут его так, чтобы его ось совпала с направлением силовых линий.

Смещение положительных и отрицательных связанных зарядов диэлектрика в противоположные стороны называется поляризацией. В результате на поверхности диэлектрика возникает связанный заряд. Внутри диэлектрика заряды диполей компенсируют друг друга и средний заряд по-прежнему равен нулю.

Неполярный диэлектрик в электрическом поле тоже поляризуется, т.к. под действием поля заряды смещаются в разные стороны и такие деформированные молекулы можно рассматривать как диполи. Связанный заряд создает в диэлектрике поле, направленное против напряженности внешнего поля, в результате поле внутри диэлектрика ослабляется.

Потенциальная энергия заряженного тела в электростатическом поле

Система заряженных тел обладает потенциальной энергией (по аналогии потенциальной энергии в механике). При перемещении заряда, действующая на него сила совершает работу. Сила, действующая на заряд:

F = q E

где q – заряд, Е – напряженность поля

Работа будет равна:

А = q E d                                                                                         

где d – расстояние между зарядами (проекция на линию напряженности)

Работа не зависит от формы пути (по аналогии с механикой), следовательно, она равна изменению потенциальной энергии, взятой с противоположным знаком

A = - (W2 – W1) = - Δ W

 Тогда потенциальная энергия равна

W = q E d

 

Потенциал электростатического поля и разность потенциалов

Потенциальная энергия заряда в электростатическом поле пропорциональна заряду.

Потенциалом электростатического поля называют отношение потенциальной энергии заряда в поле к этому заряду

φ = W/q

Потенциал φ скалярная величина, она определяет силу, действующую на заряд q в данной точке поля. Потенциал однородного поля равен

φ = E d

Величина           U = φ1 – φ2        называется разностью потенциалов. Разность потенциалов часто называют напряжением. Напряжение равно

U = φ1 – φ2 = A/q

Единицей разности потенциалов (напряжения) является вольт (В). 1В = 1 Дж/1 Кл, т.е.

разность потенциалов между двумя точками равна 1, если при перемещении заряда в 1 Кл из одной точки в другую электрическое поле совершает работу в 1 Дж.