Потенціал електричного поля. Напруженість як градієнт потенціалу
Розглянемо поле, яке створюється нерухомим точковим зарядом q у вакуумі (рис. 73). Нехай в електростатичному полі заряду q вздовж довільної траекторії з точки 1 в точку 2 переміщується інший точковий заряд під дією сили. Робота сили
на елементарному переміщенні
дорівнює:
Робота при переміщенні заряду з точки 1 в точку 2 дорівнює:
Ця робота не залежить від траєкторії переміщення, а визначається лише початковим (1) і кінцевим (2) положенням заряду. Отже, електростатичне поле точкового зарядує потенціальним, а електростатичні сили – консервативними.
Оскільки робота консервативних сил виконується за рахунок зменшення по- тенціальної енергії, то
Отже, потенціальна енергія заряду в полі заряду q у вакуумі дорівнює:
Домовимось вважати потенціальну енергію заряду такою, що дорівнює нулю на нескінченно великій відстані від q. При r
і
. Тому потенціальна енергія заряду
, що перебуває на відстані r від точкового заряду q, дорівнює
.
Якщо заряди та q однойменні, то потенціальна енергія їхньої взаємодії (відштовхування) додатна і зростає при зближенні цих зарядів (рис. 74). У випадку взаємного притягання різнойменних зарядів потенціальна енергія їхньої взаємодії від’ємна і зменшується при наближенні одного із зарядів до іншого.
Потенціальна енергія заряду
що перебуває в полі точкових зарядів
, дорівнює сумі його потенціальних енергій
у полях, що створюються кожним зарядом зокрема:
,
де відстань від заряду
до заряду
.