Вычисление разности потенциалов по напряженности поля кратко

Обновлено: 02.07.2024

Для определения разности потенциалов поля некоторых заряженных тел воспользуемся формулами их напряженностей Е (раздел 1.9) и соотношением .

1. Поле равномерно заряженной бесконечной плоскости с поверхностной плотностью заряда +s. . Потенциал данного поля меняется только в направлении х, поэтому ; ; . Проинтегрируем обе части равенства ; , где х1 и х2 - расстояния от точек 1 и 2 до плоскости.

2. Поле двух бесконечных параллельных разноименно заряженных плоскостей (+s и -s).

Напряженность поля между пластинами , отсюда ; .

При расстоянии между пластинами равном d, их разность потенциалов равна ; .

Установленная связь между напряженностью поля и потенциалом позволяет по известной напряженности поля найти разность потенциалов между двумя произвольными точками этого поля.

1. Поле равномерно заряженной бесконечной плоскости определяется формулой Е=, где - поверхностная плотность заряда. Разность потенциалов между точками, лежащими на расстояниях xi и х₂ от плоскости (используем формулу (1.22)), равна

2. Поле двух бесконечных параллельных разно
именно заряженных плоскостей определяется формулой Разность потенциалов между плоскостями, расстояние между которыми равно d (см. (1.22)), равна

3. Поле равномерно заряженной сферической поверхности радиуса R с общим зарядом Q вне сферы (г > R) вычисляется

Разность потенциалов между двумя точками, лежащими на расстояниях п и г₂ от центра сферы (г_> > R, r₂ > R), равна

Рис. 15

Если принять и то потенциал поля внесферической поверхности задается выражением (ср. с формулой (1.19)). График зависимости приведен на рис. 15

4. Поле равномерно заряженного цилиндра радиуса R,
заряженного с линейной плотностью х, вне цилиндра (г > R) определяется формулой . Следовательно, разность потенциалов между двумя точка-

ми, лежащими на расстояниях и от оси заряженного цилиндра (r>R, r>R), равна

3. Поле равномерно заряженной сферической поверхности радиуса R с общим зарядом Q вне сферы (г > R) вычисляется

Разность потенциалов между двумя точками, лежащими на расстояниях п и г₂ от центра сферы (г_> > R, r₂ > R), равна

Рис. 15

ми, лежащими на расстояниях и от оси заряженного цилиндра (r>R, r>R), равна

Связь между напряженностью и разностью потенциалов является важной темой в разделе физики под названием электродинамика. Ее можно установить, используя представление об эквипотенциальных поверхностях, а также характер каждой из частей по отдельности. Кроме того, важно знать основные формулы напряженности и других электродинамических параметров.

Разность потенциалов

Для того чтобы понять связь между напряженностью и потенциалом, нужно рассмотреть некоторые определения. Так, указанный параметр представляет собой скалярную величину, какая равна соотношению между энергией заряда в поле к непосредственно заряду. То есть, f=W/q есть энергетический тип характеристики поля в определенной точке. Для разности потенциалов формула имеет вид U=f1-f2=A/q. Здесь A является работой, затрачиваемой на переходы зарядного элемента по поверхности, а q есть кулоновский заряд.

При этом электростатическая величина не зависит от количества заряда, каков находится в поле. То есть, энергия будет зависеть от выбора координатной системы и находится с точностью до постоянной. В зависимости от условий задачи за начало отсчета выбирается один из рассматриваемых вариантов:

Потенциал планеты Земля.
Бесконечно удаленная точка поля, которой можно обозначить любую часть пространства.
Отрицательная пластина емкостного или аналогичного конденсатора.

Численно он будет равняться работе по перемещению единичного плюсового заряда из точки электрического поля через бесконечность. Единица измерения указанного электрического параметра выражается в вольтах.

Разность потенциалов это в физике есть напряжение, которое также входит в раздел электрической динамики. Под ним понимают разницу значений в начальной и финальной точке траектории. Оно численно эквивалентно работе электростатического поля при перемещениях единичного положительного заряда вдоль силовых линий.

Физическая связь

Формула напряженности имеет вид E=U/delta (d). Это обозначает скорость изменения параметра вдоль направления d. Из указанного соотношения можно отметить:

Вектор напряженности всегда направляется на уменьшение электрического и динамического потенциалов.
Электрическое поле появляется в те моменты, когда можно связать разность потенциалов.
Напряженность поля равняется соотношению вольта к метру, если между 2 точками на расстоянии 1 м друг от друга имеется разность в 1 В.

Для равномерно распределенного показателя важно наличие эквипотенциальных поверхностей. Их свойства заключаются в том, что работа при перемещении заряда вдоль такой поверхности не происходит, а вектор напряженности перпендикулярно расположен к ЭПП в любой точке.

Именно благодаря такому параметру можно отыскать некоторые физические величины. Напряженность помогает установить изменение скорости потенциального перемещения вдоль линий магнитного поля во времени. Энергетические характеристики используют в других разделах электродинамики и физики.

Неоднозначность определения

Так как величина определяется с точностью до произвольной постоянной (при этом все величины не изменятся), физический смысл имеет только разность, а не сама физическая единица.

При этом все остальные заряды по модулю при таких операциях как бы заморожены. Перемещение чаще всего воображаемое, хотя если остальные заряды закреплены или пробный очень мал, и при этом переносится относительно быстро, то формула определения разности потенциальных изменений верна.

Иногда для того, чтобы убрать неоднозначность, стоит применить некоторые естественные условия. Нередко такую физическую величину определяют так, чтобы она была равна нулю на бесконечности для любого числа точечных зарядов. Тогда для всех конечных систем зарядов выполнится аналогичное условие, а над константой можно не особо задумываться и принимать любую точку.

Также некоторые сложности имеются при употреблении терминов напряжение и электрический потенциал. Они имеют разный смысл, при этом нередко употребляются как синонимичные для электростатического потенциала. При неимении изменяющихся магнитных полей напряжение будет равняться разности потенциалов.

Рассмотрим несколько примеров вычисления разности потенциалов между точками поля, созданного некоторыми заряженными телами.

Разность потенциалов между точками поля, образованного двумя бесконечными заряженными плоскостями

Мы показали, что напряженность связана с потенциалом

где – напряженность электростатического поля между заряженными плоскостями, найденная в п. 2.5.2 с помощью теоремы Остроградского–Гаусса; σ = q/S– поверхностная плотность заряда.

Теперь, чтобы получить выражение для потенциала между плоскостями, проинтегрируем выражение (3.7.1):

На рисунке 3.5 изображена графическая зависимость напряженности E и потенциала φ от расстояния между плоскостями.

Разность потенциалов между точками поля,образованного бесконечно длинной цилиндрической поверхностью

В п. 2.5 с помощью теоремы Остроградского-Гаусса мы показали, что, т.к. , то (см. рис. 3.6)

Т.к. то , отсюда найдем разность потенциалов в произвольных точках 1 и 2:

На рисунке 3.6 изображена зависимость напряженности E и потенциала от r. (Здесь и далее E – изображена сплошной линией, а – пунктирной).

Разность потенциалов между обкладками цилиндрического конденсатора

В п. 2.5. мы нашли, что (рис. 3.7)

Отсюда так же, как и в предыдущем случае, разность потенциалов будет равна:

Таким образом, внутри меньшего цилиндра имеем , Е = 0, между обкладками потенциал уменьшается по логарифмическому закону, а вторая обкладка (вне цилиндров) экранирует электрическое поле и φ и Е равны нулю.

На рисунке 3.7 изображена зависимость напряженности E и потенциала от r.

Разность потенциалов между точками поля, образованного заряженной сферой (пустотелой)

Напряженность поля сферы (рис. 3.8) определяется формулой: .

Разность потенциалов внутри диэлектрического заряженного шара

Имеем диэлектрический шар (рис. 3.9), заряженный с объемной плотностью

В п. 2.5 с помощью теоремы Остроградского–Гаусса мы нашли, что внутри шара .

Теперь найдем разность потенциалов внутри шара:

Отсюда находим потенциал шара:

Из полученных соотношений можно сделать следующие выводы.

С помощью теоремы Гаусса сравнительно просто можно рассчитать Е и φ от различных заряженных поверхностей.

Напряженность поля в вакууме изменяется скачком при переходе через заряженную поверхность.

Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Задача № 1. Металлический шар диаметром d заряжен с поверхностной плотностью зарядов σ. Найти потенциал φ этого шара, если он окружен заземленной проводящей сферой, имеющей общий с шаром центр. Диаметр сферы D. Среда — воздух.

Задача № 2. Потенциал заряженного шара φ₁ = 300 В. Чему равен потенциал φ₂ электрического поля этого шара в точке, отстоящей на расстоянии l = 50 см от его поверхности, если радиус шара R = 25 см?

Задача № 3. Определить потенциал φ точки поля, находящейся на расстоянии а = 9 см от поверхности заряженного шара радиусом R = 1 см, если поверхностная плотность зарядов на шаре σ = 1 • 10 –11 Кл/см 2 . Среда — воздух.

Задача № 4. В точке 1 поля точечного заряда-источника потенциал φ₁ = 40 В, а в точке 2 φ₂ = 10 В. Найти потенциал φ в точке М, лежащей посередине между точками 1 и 2 (рис. 3-6).

Задача № 5. В трех вершинах квадрата со стороной а = 20 см находятся заряды q₁ = 1 • 10 –8 Кл, q₂ = 2 • 10 –8 Кл и q₃ = 2 • 10 –8 Кл (рис. 3-7). Определить потенциал φ электрического поля, созданного этими зарядами в четвертой вершине.

Задача № 6. Четыре одинаковых точечных заряда q расположены на одной прямой на расстоянии r друг от друга. Какую работу А надо совершить, чтобы переместить эти заряды в вершины тетраэдра со стороной r? Среда — вакуум.

Задача № 7. Два одинаково заряженных шарика диаметрами d = 0,5 см каждый расположены на расстоянии l = 2 см между их поверхностями (рис. 3-14). До какого потенциала φ они заряжены, если сила их отталкивания друг от друга F = 2 мкН? Среда — воздух.

Задача № 8. В однородном электрическом поле напряженностью Е = 2 кВ/см переместили заряд q = –20 нКл в направлении силовой линии поля на расстояние d = 10 см. Найти работу поля А, изменение потенциальной энергии поля ΔW_п и напряжение (разность потенциалов) U между начальной и конечной точками перемещения.

Задача № 9. Между двумя горизонтальными плоскостями, заряженными разноименно и расположенными на расстоянии d = 5 мм друг от друга, находится в равновесии капелька масла массой 20 нг (нанограмм) (рис. 3-10). Найти число избыточных электронов N на этой капельке. Среда — воздух. Разность потенциалов между плоскостями U = 2 кВ.

Задача № 10. На пластине М поддерживается потенциал φ₁ = +80 В, а на пластине N – φ₂ = –80 В (рис. 3-11, а). Расстояние между пластинами d = 10 см. На расстоянии d₁ = 4 см от пластины М помещают заземленную пластину Р (рис. 3-11, б). Найти изменение напряженности ΔЕ₁ поля на участке МР и изменение напряженности поля ΔЕ₂ на участке PN при этом. Построить графики зависимостей напряженностей Е = Е(х) и потенциала φ = φ(х) от расстояния между точками поля и пластинами.

Читайте также: