Работа при перемещении электрического заряда. Движение заряженной частицы в однородном электрическом поле, вакууме; движение потока частиц; сила тока; плотность тока. Ток в металлах. Закон Ома для замкнутой цепи. Законы Кирхгофа. Виды соединения проводников, страница 10

Чем больше разность потенциалов между стержнем и корпусом электрометра, тем на больший угол отклонится стрелка. Поэтому шкалу электрометра можно проградуировать в единицах напряжения.

Чувствительность школьного электрометра мала (примерно сотни вольт). Гораздо большей чувствительностью обладают электростатические вольтметр устройство которых схематически показано на рисунке  4.

Между неподвижными пластинами 1 на оси 2, хорошо изолированной от неподвижных пластин, укреплена подвижная пластина 3. Неподвижные пластины соединены с клеммой 4, а подвижная через ось и спиральную пружину – с клеммой 5.

При включении прибора подвижные и неподвижные пластины электризуются разноименными зарядами и притягиваются друг к другу. Это приводит к втягиванию подвижной пластины в промежуток между неподвижными пластинами. В результате ось 2, на которой укреплена стрелка, поворачивается. Этому противодействует спиральная пружина. Угол поворота оси пропорционален квадрату разности потенциалов между точками, к которым вольтметр подключен. Промышленность выпускает электростатические вольтметры для измерения разности потенциалов от 30 В до нескольких сотен тысяч вольт.

Соотношение между разностью потенциалов и напряженностью однородного поля

Допустим, что заряд q перемещается в однородном электрическом поле вдоль линии напряженности по участ­ку 1 – 2 длиной l (рисунок 5). Если напряженность поля равна Е, то на заряд действует сила

.

Работа поля на участке 1 - 2 определяется формулой

.

Найдем разность потенциалов на этом участке:

,

или

.

Итак, в однородном поле напряженность равна отно­шению разности потенциалов между двумя точками поля, лежащими на одной и той же линии напряжен­ности, к расстоянию между этими точками. В случае неоднородного поля с увеличением разности потенциалов между выбранными двумя точками напряженность поля в рассматриваемой области увеличивается, но зависи­мость между напряженностью и разностью потенциалов в этом случае не столь проста.

Используя найденную для однородного электрическо­го поля зависимость между разностью потенциалов и напряженностью, можно за единицу напряженности электрического поля принять вольт на метр (1 В/м), т. е. напряженность такого однородного поля, в котором на участке линии напряженности длиной 1 м имеется разность потенциалов 1 В. Легко доказать, что 1 В/м равен ранее введенной единице напряженности.

Действительно, так как

.

то

.

Но . Следовательно,

.

Потенциал электростатического поля

Разность потенциалов, как это следует из определе­ния и из формулы

является энергетической характеристикой поля на участ­ке. Но довольно часто возникает необходимость дать энергетическую характеристику поля в точке. Для этого вводится специальная физическая величина – потенциал.

Потенциалом электростатического поля называют разность потенциалов между данной точкой поля и дру­гой, специально выбранной точкой, потенциал которой считают равным нулю.

Выбор второй точки в принципе произволен, однако в конкретных условиях выбирают точку, наиболее удоб­ную при измерениях или расчетах. Так, в электротехнике отсчет потенциала производится относительно поверх­ности Земли, в радиотехнике - относительно металличе­ского основания (шасси) аппарата, в теоретической физике - относительно бесконечности.

Хотя потенциал и зависит от выбора точки, относи­тельно которой он отсчитывается, разность потенциалов между любыми двумя точками поля определяется одно­значно и не зависит от выбора второй точки (точки отсчета). Действительно, найдем разность потенциалов на участке ВС (рис. 6), взяв за точку отсчета произ­вольную точку D.

По определению потенциал в точках В и С выража­ется так:

; .

Поэтому

.

Но если заряд из точки С в точку D перемешается электрическим полем, то его перемещение из точки D в точку С должны производить внешние силы, поэтому работа по перемещению заряда из точки С в точку D противоположна по знаку работе по перемещению за­ряда из точки D в точку С: