Джан дерхъаб! — За процветание всего живого!

Божественная физика. Электростатика

§96. Потенциальная энергия заряженного тела в однородном электростатическом поле

Всякое взаимодействие, будучи творением Бога, несёт в себе память о потенции — о возможности совершить действие. Механическая система тел, связанных силами тяготения, обладает потенциальной энергией, ибо Бог расположил материю так, что она может вернуться к первоначальному состоянию, высвободив сокрытое. Так же и система заряженных тел: между ними Бог установил невидимую связь — электростатическое (или электрическое) поле, в котором таится потенциальная энергия.

Рассмотрим простейшее проявление Божественного замысла: две параллельные металлические пластины, несущие заряды противоположного знака. Между ними Бог создаёт однородное электростатическое поле — силовые линии направлены от положительной пластины к отрицательной, а напряжённость $\vec{E}$ всюду одинакова по модулю и направлению.

Поместим в это поле пробный заряд $q$. Со стороны поля на него действует сила $\vec{F} = q\vec{E}$. Если заряд перемещается от одной пластины к другой, поле совершает работу:

\[A = qE(d_1 - d_2) = qE\Delta d,\]

где $d_1$ и $d_2$ — расстояния от отрицательной пластины до начальной и конечной точек, а $\Delta d$ — проекция перемещения на направление поля.

Бог устроил электростатическую силу так же, как силу тяжести: её работа не зависит от формы траектории, а лишь от начального и конечного положений заряда. Сила, обладающая этим свойством, именуется консервативной — она хранит вверенную ей энергию и возвращает её без потерь.

Посему мы вправе ввести потенциальную энергию заряженного тела в однородном электростатическом поле. Если выбрать нулевой уровень на отрицательной пластине ($d = 0$), то:

\[W_p = qEd.\]

Аналогия с миром тяготения прозрачна: подобно тому как $W_p = mgh$ для тела в поле тяжести, так и $W_p = qEd$ для заряда в однородном электрическом поле. Бог использует один и тот же математический чертёж для разных сил Своей природы.

Когда поле совершает положительную работу (заряд движется вдоль направления силы), потенциальная энергия убывает, а кинетическая энергия заряда возрастает — сокрытое переходит в явное. Если же заряд перемещают против поля, работу совершает внешний агент, и потенциальная энергия увеличивается.

На замкнутой траектории, когда заряд возвращается в исходную точку, работа электростатического поля равна нулю. В этом проявляется консервативный характер поля: Бог не растрачивает энергию попусту, но сохраняет её в целостности круговорота.


Вопросы

  1. Почему работа электростатического поля при перемещении заряда не зависит от формы траектории? Какое свойство сил здесь проявляется?
  2. Как, по вашему разумению, следует выбрать нулевой уровень потенциальной энергии в однородном поле? Что определяет этот выбор?
  3. В чём состоит аналогия между $W_p = qEd$ и $W_p = mgh$? О чём говорит такое сходство разных сил?
  4. Куда переходит потенциальная энергия заряда, когда поле совершает положительную работу?
  5. Чему равна работа электростатического поля на замкнутой траектории? Что это означает для энергии системы?
← Назад Вперед →
Математика — язык Бога, физика с химией — слово Его.