Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

§ 3. Робота за час переміщення заряду в однорідному електричному полі. Потенціал електричного поля. Різниця потенціалів

На кожен заряд, розміщений в електричному полі, діє сила, під дією якої він переміщується. Під час руху заряду електричне поле виконує певну роботу.

Електричне поле нерухомих зарядів має ту надзвичайну особливість, що робота сил цього поля на шляху між двома довільними точками залежить лише від початкового та кінцевого положення переміщення і не залежить від форми шляху. Силові поля, які мають ці особливості, називають потенціальними.

Роботу сил електричного поля можна розглядати як зміну потенціальної енергії, яку має кожне заряджене тіло, що перебуває в цьому електричному полі. Якщо позначити потенціальну енергію зарядженого тіла, що переміщується під дією електричних сил, у початковій і кінцевій точках траєкторії відповідно W1 і W2, то робота сил електричного поля визначатиметься за формулою: A = W1 - W2 = -(W2 - W1).

Різні пробні заряди в даній точці поля матимуть різні потенціальні енергії. Водночас відношення потенціальної енергії пробних зарядів до їхніх значень для даної точки поля є величиною сталою.

Фізичну величину, яка визначається відношенням потенціальної енергії пробного заряду, що міститься в даній точці електричного поля, до значення заряду, називають потенціалом.

Потенціал позначають літерою φ і записують у вигляді:

Потенціал є скалярною величиною. Потенціали точок поля позитивно зарядженого тіла мають додатне значення, а негативно зарядженого — від’ємне значення.

Одиницею потенціалу в СІ є 1 вольт: 1 В = 1 Дж/1 Кл.

Потенціал характеризує електричне поле в даній його точці та є його енергетичною характеристикою.

Якщо позначити потенціали точок, у яких перебував пробний заряд до і після виконання роботи силами електричного поля з його переміщення, відповідно φ1 і φ2 та врахувати, що W = φq, то можна записати:

А = W1 - W2 = q(φ1 - φ2).

Значення цієї роботи пропорційне значенню переміщуваного заряду і залежить від того, з якої в яку точку переміщується заряд.

Фізичну величину (φ1 - φ2) називають різницею потенціалів і визначають відношенням роботи з переміщення пробного заряду з початкової точки в кінцеву до значення цього заряду:

Значення потенціальної енергії залежить від вибору початку її відліку (вибору нульового рівня потенціальної енергії). Отже, значення потенціалу залежить від вибору точки, у якій потенціал дорівнює нулю. Такою точкою у фізиці вважають точку, що міститься в нескінченності.

Тому потенціал даної точки електричного поля можна визначити як фізичну величину, що показує, яка робота виконується електричними силами під час переміщення одиничного позитивного пробного заряду з даної точки в нескінченність.

Поняття «нескінченність», де прийнято вважати φ = 0, фізично не визначено. Тому під час знаходження потенціалу в довільній точці поля завжди допускають неточність на значення потенціалу в точці, яку вважають розміщеною у нескінченності. Інакше кажучи, потенціал довільної точки поля визначають завжди з точністю до сталого значення. Тому поняття «потенціал» у цьому розумінні фізично не визначено. Більш точним й однозначним поняттям є «різниця потенціалів» як фізична величина, що визначається роботою під час переміщення пробного заряду q = 1 Кл між точками поля з потенціалами φ1 і φ2.

На практиці зручно вважати, що потенціал Землі дорівнює нулю. Це допустимо, оскільки під час будь-яких розрахунків важливо знати різницю потенціалів між деякими точками електричного поля, а не абсолютне значення потенціалів у цих точках. Вимірюють різницю потенціалів заземленим електрометром, порівнюючи потенціал зарядженого електрометра з потенціалом Землі.

Різницю потенціалів в електричному полі називають напругою.

Позначають напругу літерою U. Одиницею напруги в СІ є 1 вольт (1 В).

Учені домовилися проводити поверхні так, щоб різниця потенціалів для двох сусідніх поверхонь була всюди одна й та сама. Тоді за густотою еквіпотенціальних поверхонь можна дійти висновку про значення напруженості поля: що густіше розміщені ці поверхні, то швидше змінюється потенціал під час переміщення вздовж нормалі до поверхонь і ще більша в цьому місці напруженість Е.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Як визначити роботу сил електричного поля?
  • 2. Дайте означення потенціалу.
  • 3. Яких значень може набувати потенціал?
  • 4. Що таке різниця потенціалів в електричному полі?
  • 5. Які одиниці напруги в системі СІ?

ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...

Усе життя людину оточують природні атмосферні електричні поля. Найяскравіше проявляє себе електричне поле під час грози. Тоді його напруженість поблизу Землі досягає 10 кіловольт на метр (кВ/м). Але і в безхмарну погоду напруженість атмосферного поля в середньому становить 130 В/м.

Учені встановили, що потенційно небезпечним є перебування людини в електричному полі, напруженість якого перевищує 25 кВ/м. Тут можна працювати тільки із застосуванням засобів індивідуального захисту.

Безпечним є рівень напруженості електричного поля (0,5 кВ/м) в житлових будівлях, де людина перебуває необмежений час. Наприклад, електроковдра створює рівень напруженості до 0,2 кВ/м. Допустимий рівень напруженості в районах житлової забудови становить 1 кВ/м. А ось у місцях (незабудовані території, сільськогосподарські угіддя, які мало відвідують люди) безпечний рівень встановлено до 15 кВ/м, у важкодоступних, практично непрохідних місцях — 20 кВ/м.

Не знаючи про те, як впливає на організм електричне поле високої напруги, деякі люди в зоні ЛЕП облаштовують городи, де довго і часто працюють. Це неприпустимо! Навіть професіоналам, що за службовим обов'язком здійснюють контроль і ремонт ЛЕП, дозволено працювати не більше ніж 1,5 год на день, якщо напруженість там сягає 15 кВ/м, і не більше ніж 10 хв за напруженості до 20 кВ/м.

У зоні електричного поля ЛЕП не бажано гуляти, кататися на лижах, особливо дітям та людям з ослабленою серцево-судинною системою. Це стосується і міських територій, через які проходять високовольтні лінії. Потрібно максимально обмежити своє перебування в таких місцях. Ночівлі беззастережно заборонено.

Хотілося б застерегти садівників-аматорів, щоб вони не будували металевих будиночків, сарайчиків для зберігання інвентарю на території ЛЕП. Дотик до такої споруди, навіть якщо людина ізольована від землі, наприклад гумовим взуттям, може завдати небезпечного для життя ураження струмом.