Потенциал

Поскольку электростатическое поле является центральным, то оно консервативно. Работа по перемещению пробного заряда q' из точки 1 в точку 2 не зависит от пути и выражается, как

(1.8)

Для центральной силы , потому что сила направлена вдоль радиуса, и проекция dl на направление силы дает приращение модуля радиус-вектора.

Тогда

(1.9)

Для кулоновской силы, действующей на пробный заряд q' со стороны точечного заряда q, имеем

(1.10)

Работа сил консервативного поля может быть представлена как убыль потенциальной энергии W_p при переходе от точки 1 к точке 2:

Тогда потенциальная энергия заряда q' в поле заряда q есть

(1.12)

Выбирая константу так, чтобы W_p = 0 при , имеем

(1.13)

Величина называется потенциалом. Потенциал численно равен потенциальной энергии, которой обладал бы в данной точке поля положительный единичный заряд. Работа по переносу заряда q из точки 1 в точку 2 может быть записана как

(1.14)

Тогда, так как потенциал на бесконечности положен равным нулю то можно сказать, что потенциал равен работе, которую совершают силы поля над единичным положительным зарядом при удалении его из данной точки на бесконечность.

Единицей потенциала является Вольт. 1В - это потенциал в такой точке, для перемещения в которую из бесконечности заряда в 1Кл нужно затратить работу в 1Дж.

В силу принципа суперпозиции потенциал поля, создаваемого системой зарядов равен алгебраической сумме потенциалов, создаваемых каждым из зарядов в отдельности:

(1.15)

Если заряд распределен непрерывно с объемной плотностью r(r), то, переходя в (1.15) от суммирования к интегрированию по бесконечно малым зарядам rdV, получим

Основная задача электростатики

Задача заключается в определении функции j(x,y,z), которая удовлетворяет уравнению (4.3), а также определенным граничным условиям. Граничные условия - это значения j(x,y,z) во всех точках поверхности, охватывающей область, в которой определена функция j. При этом на поверхности, удаленной в бесконечность, потенциал j принимается равным нулю. На проводящих поверхностях могут быть заданы потенциалы каждого проводника или величина полного заряда на каждом проводнике. Объемные заряды предполагаются отсутствующими, ибо заряды проводников сосредоточены на их поверхности. Электричество и электромагнетизм Курс лекций по физике

Основная задача электростатики может быть сформулирована следующим образом.

Дано: расположение и форма всех проводников, а также либо потенциал каждого проводника, либо общий заряд каждого проводника.

Найти: поле этих проводников и распределение зарядов по их поверхности.

В теории доказывается, что существует только одна функция j(x,y,z), удовлетворяющая уравнению Лапласа и принимающая на границах заданные значения, т.е., что решение задачи единственно.

Однозначность решения позволяет заключить, что как угодно найденная любая функция j(x,y,z), являющаяся решением уравнения и удовлетворяющая граничным условиям есть единственное и потому истинное решение задачи.