Потенциальная энергия заряда

Слайд 1. Потенциальная энергия заряда

Энергия в однородном электростатическом поле. Физика, 10 класс

Слайд 2. Энергия в мире электричества

Подобно тому как поднятый над землей камень обладает потенциальной энергией в гравитационном поле, электрический заряд обладает энергией в электрическом поле. Эта энергия характеризует способность поля совершить работу по перемещению этого заряда.

Слайд 3. Свойства электростатического поля

Поле является потенциальным (консервативным)

Работа поля не зависит от формы траектории заряда

Работа по любому замкнутому контуру равна нулю

Сила, действующая на заряд, постоянна в любой точке однородного поля: $F=qE$

Слайд 4. Работа и перемещение

Рассмотрим заряд $q$, движущийся в поле $\vec{E}$. Работа силы $A=F\cdot s\cdot \cos \alpha$. В однородном поле это превращается в простую формулу $A=qEd$, где $d$ — проекция перемещения на силовую линию.

Слайд 5. Зависимость энергии от положения

График показывает убывание потенциальной энергии $W_p$ положительного заряда при его движении вдоль силовых линий поля. Поле совершает положительную работу, и запас энергии заряда истощается.

Слайд 6. Нулевой уровень энергии

Для точечных зарядов за ноль принимают энергию заряда, удаленного на бесконечно большое расстояние от источника поля.

В задачах с плоским конденсатором или вблизи поверхности Земли за ноль удобно принимать отрицательную пластину или поверхность земли.

Слайд 7. Формула потенциальной энергии

Для однородного поля потенциальная энергия заряда $q$ в точке с координатой $d$ (отсчитываемой от нулевого уровня против линий поля) равна: $W_p=qEd$. Если мы рассматриваем энергию взаимодействия двух точечных зарядов $q_1$ и $q_2$, разделенных расстоянием $r$, формула примет вид: $W_p=k\frac{q_1{q}_2}{r}$.

Слайд 8. Энергия и работа: связь

Работа сил поля равна изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком: $A=-(W_{p2}-W_{p1})=-\Delta W_p$.

Если $A>0$, то потенциальная энергия уменьшается (заряд ускоряется полем). Если $A<0$, энергия увеличивается за счет работы внешних сил.

Слайд 9. Потенциал как характеристика

Потенциал $\phi$ — энергетическая характеристика точки поля

$\phi =\frac{W_p}{q}$

Единица измерения — Вольт (1 В = 1 Дж / 1 Кл)

Разность потенциалов $({\phi }_1-{\phi }_2)$ называется напряжением $U$

Слайд 10. Сравнение гравитации и электростатики

Слайд 11. Практика: Электронная пушка

В электролучевых трубках и рентгеновских аппаратах электроны разгоняются электрическим полем. Потенциальная энергия поля $W_p=eU$ полностью переходит в кинетическую энергию электрона: $eU=\frac{m{v}^2}{2}$.

Слайд 12. Ускорители частиц

Слайд 13. Вопросы для обсуждения

Зависит ли работа поля от того, двигался ли заряд по прямой или по спирали?

Как изменится потенциальная энергия электрона при движении вдоль линий поля?

Чему равна работа при движении заряда перпендикулярно линиям поля?

Куда девается потенциальная энергия, когда заряд ускоряется полем?

Слайд 14. Подведем итоги

Электростатическое поле обладает энергией и является консервативным

Работа поля в однородном поле вычисляется через проекцию пути: $A=qEd$

Потенциальная энергия заряда в поле: $W_p=qEd$

Работа поля всегда равна убыли потенциальной энергии: $A=-\Delta W_p$

Потенциал $\phi$ — это энергия, приходящаяся на единичный заряд