Фиг. 4.4. Работа, затраченная на движение вдоль любого пути от а до b, равна минус работе от некоторой точки Р0 до а плюс работа от Р0 до b.
Работа перехода от а к Р0 (по дороге к b) равна φ(a) с минусом, так что
(4.21)
Так как повсюду будет встречаться только разность значений функции φ в двух точках, то положение точки Р0 в сущности безразлично. Однако как только отправная точка выбрана, число φ тем самым определяется в любой точке пространства; значит, φ является скалярным полем, функцией от х, у, z. Эту скалярную функцию мы называем электростатическим потенциалом в произвольной точке.
(4.22)
Часто очень удобно брать отправную точку на бесконечности. Тогда потенциал φодиночного заряда в начале координат, взятый в произвольной точке (х, у, z), равен [см. уравнение (4.20)]
(4.23)
Электрическое поле нескольких зарядов можно записать в виде суммы электрических полей от первого заряда, от второго, от третьего и т. д. Интегрируя сумму для того, чтобы определить потенциал, мы придем к сумме интегралов. Каждый из них — это потенциал соответствующего заряда. Значит, потенциал φ множества зарядов есть сумма потенциалов каждого из зарядов по отдельности. Таким образом, и для потенциалов существует принцип наложения. Пользуясь такими же аргументами, как и тогда, когда мы искали электрическое поле группы зарядов или распределения зарядов, мы можем получить окончательные формулы для потенциала φ в точке, обозначенной как (1):
(4.24)
(4.25)
Не забывайте, что потенциал φ имеет физический смысл: это потенциальная энергия, которую имел бы единичный заряд, если его перенести в указанную точку пространства из некоторой отправной точки.
§ 4. E=-∇φ
С какой стати нас заинтересовал потенциал φ? Силы, действующие на заряды, даются величиной Е — электрическим полем. Вся соль в том, что Е из φ очень легко получить, не труднее, чем вычислить производную. Рассмотрим две точки с одинаковыми у и z, но с разными х: у одной х, у другой x+Δx; поинтересуемся, какую работу надо совершить, чтобы перенести единичный заряд из одной точки в другую. Путь переноса — горизонтальная линия от х до х+Δх. Работа равна разности потенциалов в двух точках
Но работа против действия силы на том же отрезке равна
Мы видим, что
(4.26)
Равным образом, Еу=-∂φ/∂y, Ez=-∂φ/∂z; все это в обозначениях векторного анализа можно подытожить так:
(4.27)
Это дифференциальная форма уравнения (4.22). Любую задачу, в которой заряды заданы, можно решить, вычислив по (4.24) или (4.25) потенциал и рассчитав по (4.27) поле. Уравнение (4.27) согласуется также с тем, что получается в векторном анализе: с тем, что для любого скалярного поля
(4.28)
Согласно уравнению (4.25), скалярный потенциал φ представляется трехмерным интегралом, подобным тому, который мы писали для Е. Есть ли какая выгода в том, что вместо Е вычисляется φ? Да. Для вычисления φ нужно взять один интеграл, а для вычисления Е — три (ведь это вектор). Кроме того, обычно 1/r интегрировать легче, чем x/r3. Во многих практических случаях оказывается, что для получения электрического поля легче сперва подсчитать φ, а после взять градиент, чем вычислять три интеграла для Е. Это просто вопрос удобства.
Но потенциал φ имеет и глубокий физический смысл. Мы показали, что Е закона Кулона получается из Е=-gradφ, где φ дается уравнением (4.22). Но если Е — это градиент скалярного поля, то, как известно из векторного исчисления, ротор Е должен обратиться в нуль:
(4.29)
Но это и есть наше второе основное уравнение электростатики — уравнение (4.6). Таким образом, мы показали, что закон Кулона дает поле Е, удовлетворяющее этому условию. Так что до сих пор все в порядке.
На самом деле то, что ∇×Е равно нулю, было доказано еще до того, как мы определили потенциал. Мы показали, что работа обхода по замкнутому пути равна нулю, т. е.