Джан дерхъаб! — За процветание всего живого!

Божественная физика. Электростатика

§98. Связь между напряжённостью электростатического поля и разностью потенциалов. Эквипотенциальные поверхности

Бог соединяет всё незримыми нитями, и две главные характеристики поля — напряжённость $\vec{E}$ и потенциал $\varphi$ — не составляют исключения. Они связаны настолько просто, что, зная одну, можно найти другую.

Для однородного поля связь выражается формулой:

\[E = \frac{U}{d},\]

где $U = \varphi_1 - \varphi_2$ — разность потенциалов (напряжение) между двумя точками, а $d$ — расстояние между ними вдоль направления поля. Иными словами, напряжённость равна убыли потенциала на единицу длины.

Направление напряжённости всегда совпадает с направлением убывания потенциала. Бог устроил так, что заряд стремится туда, где потенциал ниже, — подобно тому как вода течёт сверху вниз в поле тяжести. Вектор $\vec{E}$ указывает путь, по которому потенциал спадает быстрее всего.

Из соотношения $E = U/d$ рождается дополнительная единица напряжённости:

\[1\ \frac{\text{В}}{\text{м}} = 1\ \frac{\text{Н}}{\text{Кл}}.\]

Обе единицы равноценны: первая происходит из энергетического описания поля, вторая — из силового.


Проведём мысленный опыт. Если соединить все точки поля, имеющие один и тот же потенциал, мы получим поверхность — эквипотенциальную (поверхность равного потенциала). На такой поверхности работа по перемещению заряда не совершается: $\varphi = \text{const}$, а значит, и $U = 0$.

Эквипотенциальные поверхности всегда перпендикулярны силовым линиям поля. В этом проявляется мудрость Бога: силовые линии — это пути наибольшего изменения потенциала, а поверхности равного потенциала — границы, вдоль которых никакого изменения нет.

В зависимости от устройства поля эквипотенциальные поверхности принимают различную форму:

Особый случай — проводник в электростатическом поле. Его поверхность сама является эквипотенциальной: все точки поверхности проводника имеют одинаковый потенциал. Более того, внутри проводника потенциал везде одинаков, ибо при равновесии зарядов поле внутри отсутствует, и нет причины, по которой потенциал мог бы меняться.

Отсюда следует важнейший вывод: разность потенциалов между любыми двумя точками заряженного проводника равна нулю. Внутреннее пространство проводника пребывает в покое — Бог уравнял там всё, не оставив места для движения зарядов.


Вопросы

  1. Чему равна разность потенциалов между любыми двумя точками заряженного проводника? Почему?
  2. Как связаны напряжённость однородного электростатического поля и разность потенциалов? Запишите формулу.
  3. Почему единицу напряжённости можно выразить как $\text{В}/\text{м}$, а не только как $\text{Н}/\text{Кл}$? В чём смысл этой двойственности?
  4. Что такое эквипотенциальная поверхность? Как она расположена относительно силовых линий?
  5. Какую форму имеют эквипотенциальные поверхности в однородном поле и в поле точечного заряда?
← Назад Вперед →
Математика — язык Бога, физика с химией — слово Его.