Напряжённость и потенциал электрического поля

Электрическое поле и его характеристики

Вокруг любого электрического заряда существует электрическое поле — особый вид материи, посредством которого заряды действуют друг на друга. Само поле невидимо, но его действие легко обнаружить по силе, с которой оно действует на внесённый пробный заряд. Электрическое поле описывают двумя характеристиками: силовой — напряжённостью — и энергетической — потенциалом.

Напряжённость поля

Напряжённость электрического поля — это векторная величина, равная отношению силы, действующей на пробный заряд, к величине этого заряда:

E = F/q

Единица измерения напряжённости — вольт на метр (В/м) или, что то же самое, ньютон на кулон (Н/Кл). Напряжённость не зависит от величины пробного заряда и является характеристикой самого поля в данной точке. Напряжённость поля, создаваемого точечным зарядом, вычисляется по формуле:

E = k*Q/r^2

Направление вектора напряжённости совпадает с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.

Силовые линии

Электрическое поле наглядно изображают силовыми линиями. Они начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Касательная к силовой линии в каждой точке указывает направление вектора напряжённости. Чем гуще линии, тем сильнее поле в данной области.

Потенциал и напряжение

Потенциал — это энергетическая характеристика поля, равная отношению потенциальной энергии заряда в данной точке к величине этого заряда:

φ = W/q

Разность потенциалов между двумя точками поля называют напряжением:

U = φ1 - φ2 = A/q

где A — работа поля по перемещению заряда из первой точки во вторую. Единица потенциала и напряжения — вольт (В). В отличие от напряжённости, потенциал и напряжение — это скалярные величины.

Связь напряжённости и напряжения

Для однородного поля (например, между пластинами плоского конденсатора) напряжённость и напряжение связаны простым соотношением:

U = E*d

где d — расстояние между точками вдоль линии поля. Отсюда напряжённость можно выразить как E = U/d. Эта формула очень удобна для расчёта поля внутри конденсатора.

Разобранный пример

Между пластинами плоского конденсатора создано напряжение U = 200 В, а расстояние между пластинами d = 0,02 м. Найдём напряжённость однородного поля внутри конденсатора:

E = U/d = 200/0,02 = 10000 В/м

Поле внутри такого конденсатора однородно, то есть его напряжённость одинакова во всех точках между пластинами.

Частые ошибки. Напряжённость — это вектор, а потенциал и напряжение — скаляры; смешивать их нельзя. Работа электрического поля по перемещению заряда зависит только от начальной и конечной точек и не зависит от формы пути — поле потенциально. Формула U = E*d справедлива только для однородного поля.

Кратко о главном

• Напряжённость — силовая характеристика поля: E = F/q, вектор.
• Потенциал — энергетическая характеристика: φ = W/q, скаляр.
• Напряжение — разность потенциалов: U = A/q.
• В однородном поле U = E*d.
• Силовые линии начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.