§ 21. Работа силы однородного электростатического поля. Потенциал
Потенциальная энергия заряда в электростатическом поле. Воспользовавшись законом сохранения энергии, можно показать, что любое электростатическое поле является потенциальным. Это означает, что электростатическое и гравитационное поля имеют похожие свойства, определяемые их потенциальным характером. Применительно к электростатическому полю эти свойства выражаются в следующем:
а) точечный электрический заряд, находящийся в любой точке электростатического поля, обладает потенциальной энергией взаимодействия с этим полем. Значение этой энергии определяют относительно произвольно выбираемой нулевой точки. В нулевой точке потенциальную энергию заряда принимают равной нулю. Потенциальная энергия взаимодействия точечного заряда с электростатическим полем равна работе, которую совершила бы сила поля при перемещении данного заряда из указанной точки поля в нулевую точку;
б) работа силы поля по перемещению электрического заряда q из точки 1 в точку 2 (рис. 116) может служить мерой изменения потенциальной энергии этого заряда в поле, созданном зарядом Q.
Пусть Wп1 и Wп2 — потенциальные энергии перемещаемого заряда в точках 1 и 2 электростатического поля. Тогда работа силы поля
A12 = –ΔWп12 = –(Wп2 – Wп1),
(21.2)
где ΔWп12 — приращение потенциальной энергии заряда q при его перемещении из точки 1 в точку 2.
Перепишем выражение (21.2) в виде
A12 = Wп1 – Wп2
(21.3)
и проанализируем его, когда на заряд q действует только сила со стороны электростатического поля:
1) если работа силы поля A12 > 0 (перемещение положительного заряда q происходит в направлении линий напряжённости поля), то потенциальная энергия заряда уменьшается: ΔWп12 < 0. При этом, согласно закону сохранения энергии, увеличивается кинетическая энергия тела c зарядом q: ;
2) если работа силы поля A12 < 0 (перемещение положительного заряда противоположно направлению линий напряжённости поля), то потенциальная энергия заряда увеличивается: ΔWп12 > 0. При этом кинетическая энергия заряженного тела уменьшается: ;
3) если работа силы поля A12 = 0 (перемещение заряда перпендикулярно направлению линий напряжённости поля), то потенциальная энергия заряда не изменяется.
Следует подчеркнуть, что потенциальная энергия — это энергия взаимодействия, и её необходимо относить не к заряженной частице или телу, а к системе в целом. В частности, для заряженной частицы (тела), находящейся в электростатическом поле, это потенциальная энергия взаимодействия заряженной частицы с полем, т. е. с другими заряженными частицами и (или) телами, являющимися источниками этого поля. Кратко это принято формулировать так: потенциальная энергия заряда в поле.
В каком случае (см. рис. 115) при перемещении положительного (отрицательного) заряда между двумя точками поля потенциальная энергия этого заряда: а) увеличивается; б) уменьшается; в) не изменяется?
