Электростатика: закон Кулона, напряжённость и потенциал
Закон Кулона, напряжённость и потенциал электрического поля точечного заряда, принцип суперпозиции полей с примерами решения задач.
В этой статье вы сможете узнать:
- как закон Кулона описывает силу взаимодействия точечных зарядов;
- как связаны напряжённость и потенциал электрического поля с зарядом, создающим это поле;
- как применять принцип суперпозиции для нескольких зарядов.
Закон Кулона
Закон Кулона описывает силу взаимодействия двух точечных электрических зарядов:
где Н·м²/Кл² — коэффициент пропорциональности (в СИ), и — величины зарядов, — расстояние между ними. Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые — притягиваются.
Пример. Найдите силу взаимодействия двух точечных зарядов по Кл каждый, находящихся на расстоянии 0,3 м друг от друга.
Напряжённость электрического поля
Напряжённость электрического поля в данной точке — это векторная физическая величина, равная отношению силы, действующей на пробный заряд, к величине этого заряда:
Напряжённость поля точечного заряда на расстоянии от него:
Напряжённость направлена от положительного заряда и к отрицательному заряду.
Пример. Найдите напряжённость поля точечного заряда Кл на расстоянии 0,5 м.
Принцип суперпозиции для напряжённости
Если поле создаётся несколькими зарядами, результирующая напряжённость в любой точке равна векторной сумме напряжённостей, создаваемых каждым зарядом по отдельности:
Потенциал электрического поля
Потенциал — скалярная величина, равная отношению потенциальной энергии заряда в данной точке поля к величине этого заряда:
Потенциал поля точечного заряда на расстоянии от него (при выборе нулевого потенциала на бесконечности):
В отличие от напряжённости, потенциалы от нескольких зарядов складываются алгебраически (как скаляры, с учётом знака), а не векторно.
Работа электрического поля и разность потенциалов
Работа электрического поля по перемещению заряда между точками с потенциалами и :
где — разность потенциалов (напряжение) между точками.
Пример. Заряд Кл переместили между точками с разностью потенциалов 100 В. Найдите работу электрического поля.
Связь напряжённости и разности потенциалов в однородном поле
В однородном электрическом поле (например, между параллельными пластинами) напряжённость связана с разностью потенциалов и расстоянием между точками вдоль линии поля:
Пример. Расстояние между пластинами конденсатора равно 2 см, напряжение между ними — 200 В. Найдите напряжённость поля между пластинами.
Алгоритм решения задач по электростатике
- Определите, какие заряды присутствуют в задаче и как они расположены (точечные заряды, система зарядов, однородное поле).
- Для силы взаимодействия двух зарядов используйте закон Кулона .
- Для напряжённости и потенциала одного точечного заряда используйте формулы и .
- Если полей несколько, сложите напряжённости векторно (с учётом направлений), а потенциалы — алгебраически (с учётом знаков зарядов).
- Для работы поля и связи напряжённости с разностью потенциалов используйте формулы и (в однородном поле) .
Примеры решения
Пример 1. Найдите силу взаимодействия зарядов Кл и Кл на расстоянии 0,2 м.
Ответ: примерно 4,05 Н.
Пример 2. Найдите потенциал поля точечного заряда Кл на расстоянии 1 м.
Ответ: В.
Пример 3. Между пластинами плоского конденсатора с расстоянием 5 мм создано поле напряжённостью В/м. Найдите напряжение между пластинами.
Ответ: 200 В.
Часто задаваемые вопросы
Почему напряжённости складываются векторно, а потенциалы — алгебраически? Потому что напряжённость — векторная величина, характеризующая силу, действующую на единичный заряд в данной точке, и направления этих сил от разных зарядов могут не совпадать, поэтому их нужно складывать по правилам сложения векторов; потенциал же — скалярная величина (энергетическая характеристика поля), и вклады от разных зарядов в потенциал одной точки складываются просто как числа с учётом знака заряда.
Как определить направление напряжённости поля точечного заряда? Напряжённость поля положительного заряда направлена радиально от заряда наружу (заряд «отталкивает» положительный пробный заряд), а напряжённость поля отрицательного заряда направлена радиально к заряду (притягивает положительный пробный заряд).
Почему работа электрического поля не зависит от формы траектории заряда? Потому что электростатическое поле является потенциальным полем (аналогично полю силы тяжести) — работа такого поля зависит только от начальной и конечной точек траектории (точнее, от разности потенциалов между ними), а не от конкретного пути, по которому двигался заряд.
Как связаны знак заряда и знак потенциала, который он создаёт? Положительный заряд создаёт положительный потенциал во всех точках вокруг себя (при выборе нулевого потенциала на бесконечности), а отрицательный заряд создаёт отрицательный потенциал — знак потенциала точки поля определяется знаком заряда, создающего это поле.
Похожие темы для изучения
- Постоянный ток: закон Ома, соединения проводников
- Магнитное поле: сила Ампера и сила Лоренца
- Электромагнитная индукция
- Колебательный контур и электромагнитные колебания
Задачи для самостоятельного решения
- Найдите силу взаимодействия зарядов Кл и Кл на расстоянии 0,1 м.
- Найдите напряжённость поля точечного заряда Кл на расстоянии 2 м.
- Найдите потенциал поля точечного заряда Кл на расстоянии 3 м.
- Заряд Кл переместили между точками с разностью потенциалов 50 В. Найдите работу электрического поля.
- Расстояние между пластинами конденсатора равно 1 см, напряжённость поля между ними — В/м. Найдите напряжение между пластинами.
- Объясните, почему при увеличении расстояния между зарядами вдвое сила их взаимодействия уменьшается в 4 раза, а не в 2 раза.