Потенциальная энергия

Тело, находящееся в потенциальном поле сил, обладает потенциальной энергией, за счет которой силами поля совершается работа. Как известно, работа консервативных сил совершается за счет убыли потенциальной энергии. Поэтому работу сил электростатического поля можно представить как разность потенциальных энергий, которыми обладает точечный заряд Q₀ в начальной и конечной точках поля заряда Q:

откуда следует, что потенциальная энергия заряда Q₀ в поле заряда Q равна

Она определяется не однозначно, а с точностью до произвольной постоянной С. Если считать, что при удалении заряда в бесконечность (r→∞) потенциальная энергия обращается в нуль (U = 0), то С = 0 и потенциальная энергия заряда Q₀, находящегося в поле заряда Q на расстоянии r от него, равна

Для одноименных зарядов Q₀Q > 0 и потенциальная энергия их взаимодействия (отталкивания) положительна, для разноименных зарядов Q₀Q < 0 и потенциальная энергия их взаимодействия (притяжения) отрицательна.

Если поле создается системой точечных зарядов Q_i, Q₂, ..., Q_n, то работа электростатических сил, совершаемых над зарядом Q₀, равна алгебраической сумме работ сил, обусловленных каждым из зарядов в отдельности. Поэтому потенциальная энергия U заряда Q₀, находящегося в этом поле, равна сумме его потенциальных энергий U_i, создаваемых каждым из зарядов в отдельности:

Получаем, что отношение - не зависит от Q₀ и является поэтому энергетической характеристикой электростатического поля, называемой потенциалом:

Потенциал φ в какой-либо точке электростатического поля есть физическая величина, определяемая потенциальной энергией единичного положительного заряда, помещенного в эту точку потенциал поля, создаваемого точечным зарядом Q, равен:

Работа, совершаемая силами электростатического поля при перемещении заряда Q₀ из точки 1 в точку 2 тогда может быть представлена как

A₁₂ = U₁ - U₂ = Q₀ (φ₁ - φ₂)

т.е. равна произведению перемещаемого заряда на разность потенциалов в начальной и конечной точках. Разность потенциалов двух точек 1 и 2 в электростатическом поле определяется работой, совершаемой силами поля при перемещении единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2. Если перемещать заряд Q₀ из произвольной точки за пределы поля, т.е. в бесконечность, где по условию потенциал равен нулю, то работа сил электростатического поля, согласно

A_∞ = Q₀ φ,

Откуда

φ= A_∞ / Q₀

Таким образом, потенциал - физическая величина, определяемая работой по перемещению единичного положительного заряда при удалении его из данной точки в бесконечность. Эта работа численно равна работе, совершаемой внешними силами (против сил электростатического поля) по перемещению единичного положительного заряда из бесконечности в данную точку поля. Единица потенциала - вольт (В): 1 В есть потенциал такой точки поля, в которой заряд в 1 Кл обладает потенциальной энергией 1 Дж (1 В = 1 Дж/Кл).