Линии напряженности – Линии напряжённости электрического поля

Силовые линии электростатического поля

       Теорема Остроградского–Гаусса, которую мы докажем и обсудим позже, устанавливает связь между электрическими зарядами и электрическим полем. Она представляет собой более общую и более изящную формулировку закона Кулона.

      

Остроградский Михаил Васильевич (1801 – 1862) отечественный математик и механик. Учился в Харьковском ун-те (1816 – 1820), совершенствовал знания в Париже (1822 – 1827). Основные работы в области математического анализа, математической физики, теоретической механики. Решил ряд важных задач гидродинамики, теории теплоты, упругости, баллистики, электростатики, в частности задачу распространения волн на поверхности жидкости (1826 г.). Получил дифференциальное уравнение распространения тепла в твердых телах и жидкостях. Известен теоремой Остроградского-Гаусса в электростатике (1828 г.).

Гаусс Карл Фридрих (1777 – 1855) – немецкий математик, астроном и физик. Исследования посвящены многим разделам физики. В 1832 г. создал абсолютную систему мер (СГС), введя три основных единицы: единицу времени – 1 с, единицу длины – 1 мм, единицу массы – 1 мг, и в 1833 г. совместно с В. Вебером построил первый в Германии электромагнитный телеграф. Еще в 1845 г. пришел к мысли о конечной скорости распространения электромагнитных взаимодействий.

       В принципе, напряженность электростатического поля, создаваемого данным распределением зарядов, всегда можно вычислить с помощью закона Кулона. Полное электрическое поле в любой точке является векторной суммой (интегральным) вкладом всех зарядов, т.е.

или

(2.1.1)

       Однако, за исключением самых простых случаев, вычислить эту сумму или интеграл крайне сложно.

       Здесь приходит на помощь теорема Остроградского-Гаусса, с помощью которой гораздо проще удается рассчитать напряженность электрического поля, создаваемая данным распределением зарядов.

       Основная ценность теоремы Остроградского-Гаусса состоит в том, что она позволяет глубже понять природу электростатического поля и устанавливает более общую связь между зарядом и полем.

       Но прежде, чем переходить к теореме Остроградского-Гаусса необходимо ввести понятия: силовые линии электростатического поля и поток вектора напряженности электростатического поля.

       Для того чтобы описать электрическое поле, нужно задать вектор напряженности в каждой точке поля. Это можно сделать аналитически или графически. Для этого пользуются

силовыми линиями – это линии, касательная к которым в любой точке поля совпадает с направлением вектора напряженности (рис. 2.1).

Рис. 2.1

       Силовой линии приписывают определенное направление – от положительного заряда к отрицательному, или в бесконечность.

       Рассмотрим случай однородного электрического поля.

       Однородным называется электростатическое поле, во всех точках которого напряженность одинакова по величине и направлению, т.е. Однородное электростатическое поле изображается параллельными силовыми линиями на равном расстоянии друг от друга (такое поле существует, например, между пластинами конденсатора) (рис. 2.2).

       В случае точечного заряда, линии напряженности исходят из положительного заряда и уходят в бесконечность; и из бесконечности входят в отрицательный заряд. Т.к. то и густота силовых линий обратно пропорциональна квадрату расстояния от заряда. Т.к. площадь поверхности сферы, через которую проходят эти линии сама возрастает пропорционально квадрату расстояния, то общее число линий остается постоянным на любом расстоянии от заряда.

       Для системы зарядов, как видим, силовые линии направлены от положительного заряда к отрицательному (рис. 2.2).

Рис. 2.2

       Из рисунка 2.3 видно, так же, что густота силовых линий может служить показателем величины .

       Густота силовых линий должна быть такой, чтобы единичную площадку, нормальную к вектору напряженности пересекало такое их число, которое равно модулю вектора напряженности

, т.е.

       Пример 1: если на рисунке 2.3 выделить площадку, то напряженность изображенного поля будет равна

	Рис. 2.3	Рис. 2.4

       Пример 2: площадка находится в однородном поле Сколько линий пересекает эту площадку, если угол составляет 30º (рис. 2.4).

       , отсюда линий.

---

ens.tpu.ru

Напряжённость электрического поля. Силовые линии

Напряжённость электрического поля. Силовые линии

«Физика — 10 класс»

Что является посредником, осуществляющим взаимодействие зарядов?
Как определить, какое из двух полей более сильное? Предложите пути сравнения полей.

Напряжённость электрического поля.

Электрическое поле обнаруживается по силам, действующим на заряд. Можно утверждать, что мы знаем о поле всё, что нам нужно, если будем знать силу, действующую на любой заряд в любой точке поля. Поэтому надо ввести такую характеристику поля, знание которой позволит определить эту силу.

Если поочерёдно помещать в одну и ту же точку поля небольшие заряженные тела и измерять силы, то обнаружится, что сила, действующая на заряд со стороны поля, прямо пропорциональна этому заряду. Действительно, пусть поле создаётся точечным зарядом q

1. Согласно закону Кулона (14.2) на точечный заряд q действует сила, пропорциональная заряду q. Поэтому отношение силы, действующей на помещаемый в данную точку поля заряд, к этому заряду для каждой точки поля не зависит от заряда и может рассматриваться как характеристика поля.

Отношение силы, действующей на помещаемый в данную точку поля точечный заряд, к этому заряду, называется напряжённостью электрического поля.

Подобно силе, напряжённость поля — векторная величина; её обозначают буквой :

Отсюда сила, действующая на заряд q со стороны электрического поля, равна:

=q.         (14.8)

Направление вектора совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд, и противоположно направлению силы, действующей на отрицательный заряд.

Единица напряжённости в СИ — Н/Кл.

Силовые линии электрического поля.

Электрическое поле не действует на органы чувств. Его мы не видим. Однако мы можем получить некоторое представление о распределении поля, если нарисуем векторы напряжённости поля в нескольких точках пространства (рис. 14.9, а). Картина будет более наглядной, если нарисовать непрерывные линии.

Линии, касательная в каждой точке которых совпадает с вектором напряжённости электрического поля, называют силовыми линиями или линиями напряжённости поля (рис. 14.9, б).

Направление силовых линий позволяет определить направление вектора напряжённости в различных точках поля, а густота (число линий на единицу площади) силовых линий показывает, где напряжённость поля больше. Так, на рисунках 14.10—14.13 густота силовых линий в точках А больше, чем в точках В. Очевидно, что

А > _B.

Не следует думать, что линии напряжённости существуют в действительности вроде растянутых упругих нитей или шнуров, как предполагал сам Фарадей. Линии напряжённости помогают лишь наглядно представить распределение поля в пространстве. Они не более реальны, чем меридианы и параллели на земном шаре.

Силовые линии можно сделать видимыми. Если продолговатые кристаллики изолятора (например, хинина) хорошо перемешать в вязкой жидкости (например, в касторовом масле) и поместить туда заряженные тела, то вблизи этих тел кристаллики выстроятся в цепочки вдоль линий напряжённости.

На рисунках приведены примеры линий напряжённости: положительно заряженного шарика (см. рис. 14.10), двух разноимённо заряженных шариков (см. рис. 14.11), двух одноимённо заряженных шариков (см. рис. 14.12), двух пластин, заряды которых равны по модулю и противоположны по знаку (см. рис. 14.13). Последний пример особенно важен.

На рисунке 14.13 видно, что в пространстве между пластинами силовые линии в основном параллельны и находятся на равных расстояниях друг от друга: электрическое поле здесь одинаково во всех точках.

Электрическое поле, напряжённость которого одинакова во всех точках, называется однородным.

В ограниченной области пространства электрическое поле можно считать приближённо однородным, если напряжённость поля внутри этой области меняется незначительно.

Силовые линии электрического поля не замкнуты, они начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных. Силовые линии непрерывны и не пересекаются, так как пересечение означало бы отсутствие определённого направления напряжённости электрического поля в данной точке.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Электростатика — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Что такое электродинамика — Электрический заряд и элементарные частицы. Закон сохранения заряд — Закон Кулона. Единица электрического заряда — Примеры решения задач по теме «Закон Кулона» — Близкодействие и действие на расстоянии — Электрическое поле — Напряжённость электрического поля. Силовые линии — Поле точечного заряда и заряженного шара. Принцип суперпозиции полей — Примеры решения задач по теме «Напряжённость электрического поля. Принцип суперпозиции полей» — Проводники в электростатическом поле — Диэлектрики в электростатическом поле — Потенциальная энергия заряженного тела в однородном электростатическом поле — Потенциал электростатического поля и разность потенциалов — Связь между напряжённостью электростатического поля и разностью потенциалов. Эквипотенциальные поверхности — Примеры решения задач по теме «Потенциальная энергия электростатического поля. Разность потенциалов» — Электроёмкость. Единицы электроёмкости. Конденсатор — Энергия заряженного конденсатора. Применение конденсаторов — Примеры решения задач по теме «Электроёмкость. Энергия заряженного конденсатора»

class-fizika.ru

2. Линии напряженности. Поток вектора на­пряжённости электрического поля.

Для того, чтобы описать электрическое поле, нужно задать Е в каждой точке поля . Это можно сделать аналитически, выражая зависимость Е(х,у,z) в виде формул. Однако, это можно сделать и графически с помощью так называемых линий напряженности или силовых линий.

Силовой линией, или линией вектора напряженности поля, называют ли­нию, проведенную в электрическом поле, для которой направление каса­тельной в любой точке совпадает с направлением вектора напряженности поля (рис.2)

`E

Рис.2 `E

Т.к. касательная определяет два взаимно противоположных направления, то силовой линии приписывают определенное направление, отмечая его на чертеже стрелкой.

Густота силовых линий на чертеже отражает величину напряжен­ности поля, а именно, число силовых линий, проходящих через единицу поверхности, перпендикулярной к силовым линиям, равно ( или пропор­ционально) величине напряженности поля в данном месте. Вследствие на­глядности графический способ представления полей широко применяют в электротехнике.

Из сказанного следует, что силовую линию можно провести через всякую точку поля. Далее, т.к. в каждой точке поля вектор напряженности имеет вполне определенное (одно!) положение, то силовые линии нигде не пересекаются.

В качестве примера рассмотрим картину силовых линий точечного заряда. Для точечного заряда `E||`r и линии напряженности направлены по радиусам, проведённым из заряда. Для положительного заряда (q>0) эти линии исходят из заряда и уходят в ¥ (рис.3 а). Для отрицательного заряда (q<0) `E направлен против радиус-вектора `r, а линии напряженности идут из ¥ и сходятся в точке нахождения заряда (рис.3 б). Как видно из рисунка, густота линий убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от заряда, т.е. так же, как и

Рис.3.

напряженность поля.

Т.е. густота линий равна отношению полного числа линий N к ве­личине поверхности сферы радиуса r, т.е. N/4pr²~1/r².

На рис.4 показано электрическое поле между двумя равными по величине точечными зарядами одинаковых и противоположных (рис.5) знаков, расположенными на рас­стоянии l друг от друга (диполь).

Рис.4. Рис.5. (Дипольный момент Р = q l ).

Связь между электрическим полем и его источником может быть выражена до­статочно просто. Для этого введём понятие потока вектора на­пряженности, которое используется при формулировке важнейших свойств электрического, магнитного и других векторных полей.

Рассмотрим в пространстве некоторое электрическое поле и замкнутую поверх­ность произвольной формы.

Разделим всю поверхность на столь малые части, что поверхность каждой части (элемента поверхности) мож­но считать практически плоской; на такой поверхности вектор напряженности электрического поля не будет заметно меняться. Направление элемента поверхности представим вектором нормали. За положительную нормаль к поверхности примем внешнюю нормаль, т.е. нормаль, направленную на­ружу. Способ разделения поверхности на элементы не имеет значения, пока элементы достаточно малы. Число силовых линий, равных скалярному произведению

N = (`E×`n)dS_i = Ф_i — называется потоком вектора напряженности через элемент поверхности dS_i.

Величина Ф может быть >0 и<0, т.к. нормаль может быть как поло­жительной, так и отрицательной.

Теперь сложим потоки через все элементы поверхности и получим поток через всю поверхность

Ф = ò (`E×`n)dS =ò (E_n ×dS,

где Е_n— проекция `Е на направление нормали к площадке dS, где интеграл берется по поверхности S.

Пусть Вас не пугает сложность вычисления таких интегралов для поверхностей сложной формы. Удивительное свойство, которое мы с вами сейчас рассмотрим, делает такие вычисления ненужными!

Теорема Остроградского-Гаусса.

1). Возьмём наиболее простой случай: предположим, что поле созда­но изолированным положительным точечным зарядом q и что поверх­ностью является сфера радиуса r, в центре которой расположен точечный заряд (Риc. 6). Чему равен поток Ф через такую поверхность?

Рис.6.

Ответить на этот вопрос легко, т.к. в каждой точке поверхности

`E = (1/4pe<sub>0</sub>)(q/r<sup>3</sup>)`r,

а поверхность сферы S=4pr², тогда

Ф = E×4pr²= (q/4pe₀ r²) 4pr²=q/e₀.

Как мы видим из этой формулы, поток не зависит от размеров сфе­ры.

2). Покажем теперь, что поток не зависит и от формы поверхности, окружающей заряд q. Проведем две концентрические сферы разных радиусов. Мы увидим, что число линий напряженности электрического поля, пронизывающих сферы, одинаково. Между этими сферами линии вектора напряженности `Е идут непрерывно, нигде не заканчиваясь и не начинаясь вновь. Поэтому, если мы проведем между этими сферами замкнутую поверхность S₁произвольной формы, тоже охватывающую заряд q, то поток вектора напряженности через эту поверхность также будет равен q/e₀.

Напомню, что линии напряженности электрического поля начинаются и заканчиваются только на электрических зарядах. Если замкнутая поверх­ность не охватывает заряда, то поток вектора электрического поля через эту поверхность равен нулю, т.к. число силовых линий, входящих в поверхность, рав­но числу выходящих из неё.

3). Пусть поле создается не одним точечным зарядом, а произволь­ной системой точечных зарядов q₁, q₂, q_3…q_n. По принципу суперпозиции на­пряжённость результирующего электростатического поля равна векторной сумме напряжённостей электростатических полей, создаваемых каждым из зарядов в отдельности :

`E = `E₁+`E<sub>2</sub> +`E₃ +…+`E<sub>n</sub> = S`E_i.

поэтому проекция вектора `Е на на­правление нормали к площади dS равна алгебраической сумме проекций всех векторов `Е_i на это направление

Поток напряженности результирующего поля сквозь произвольную замкнутую поверхность S, охватывающую заряды q₁, q₂, …q_k , и не охватывающую заряды q_k+1…q_m, равен , но Ф_i=0, если i>k

поэтому

,т.е.

поток вектора напряженности электростатического поля в вакууме сквозь произвольную замкнутую поверхность равен отношению алгебраической суммы зарядов, охватываемых этой поверхностью, к электрической постоянной. Это и есть теорема Оетроградского -Гаусса применительно к электростатическому полю в вакууме.

Теорема Остроградского-Гаусса выведена нами как прямое следствие из закона Кулона. Она позволяет сравнительно просто рассчитывать электрические поля при симмет­ричных распределениях зарядов и окружающих их диэлектриков.

Для характеристики электрического поля наряду с `Е удобно ввести ещё одну векторную ве­личину `D , называемую электрическим смещением или электрической индукцией. Для поля в электрически изотропной среде связь `D и `E в СИ имеет вид

`D = ee<sub>0</sub> `E

Тогда _к

-теорема Остроградского-Гаусса.

Поток вектора электрического смещения сквозь произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме электрических зарядов, охватываемых этой поверхностью.

Рассмотрим некоторые простые примеры вычисления электрического поля с помощью теоремы Остроградского-Гаусса.

Пример 1. Равномерно-заряженная плоскость.

Имеется безграничная плоскость, заряженная равномерно с поверхностной плот­ностью заряда s. Найти напряженность Е(х), где х — расстояние до плоскости.

Из симметрии задачи очевидно, что линии напряженности должны быть направлены симметрично в обе стороны от плоскости ^ ей. В этом случае в качестве замкнутой поверхности в теореме Остроградского-Гаусса удобно выбрать прямой цилиндр, перпендикулярный к заряженной плоскости, ограниченный двумя плоскими основаниями, перпендикулярными к силовым линиям и расположенными по обе стороны заряженной плоскости (рис.7).

Рис. 7. Рис.8.

Т.к. образующие цилиндра параллельны вектору напряженности электрического поля `Е, то поток через боковую поверхность цилиндра равен нулю и поэтому полный по­ток сквозь цилиндр равен сумме потоков через его основания

Ф =^:2ЕS.

Полный заряд, заключенный внутри цилиндра равен Ss. Поэтому применяя теорему О-Г, имеем:

2ЕS =sS/e₀, откуда

Е = s/2e₀,

т.е. `Е не есть функция расстояния. Следовательно `Е = соnst по величине и по направлению.

Если плотность заряда отрицательная, т.е. (-s), то линии напряжённости имеют противоположное направление.

Пример2. Определим поле между двумя плоскостями, равномерно с одинаковой плотностью заряженными разноимёнными зарядами (плоский конденсатор, рис.8). Считаем плоскости бесконечными.

Заряженная плоскость каждой пластины создаст по обе стороны от себя напря­женность поля, выражаемую формулой ±s/2e₀. Внутри металлических пластин и вне конденсатора эти поля направлены противоположно и поэтому в сумме дают нуль. Внутри конденсатора эти поля, напротив, направлены одинаково и, складываясь, дают у поверхности пластин напряженность Е = s/e₀. В данном частном случае электрическое поле од­нородно и поэтому его напряженность у поверхности пластин такая же, как и в других точках поля.

Пример 3. Равномерно заряженный шар.

Рассмотрим электрическое поле между двумя шаровыми концентрическими электродами (рис.9) — шаровой конденсатор. Под действием взаимного притяжения (-) и (+ ) заря­ды расположатся только на поверхности внутреннего шара и на внутренней поверх­ности внешнего

Рис.9. Рис.10.

электрода. Из условий симметрии очевидно, что заряды на обоих ша­ровых электродах будут распределены равномерно, и что линии напряженности электрического поля могут быть только радиальными прямыми. Выберем в качестве замкнутой поверхности сферу с ра­диусом r, расположенную между электродами и имеющую общий центр с обоими элек­тродами.

По теореме Остроградского-Гаусса

Ф = Е(r)4pr² = q/e₀,

откуда

Е(r)=q/4pe₀r². (*)

Эта формула показывает, что напряжённость поля между электродами за­висит от расстояния r рассматриваемой точки поля от центра внутреннего шара, но не зависит вовсе от размеров внешнего электрода. Ту же напряженность поля получим, если радиус внешнего электрода будет как угодно велик. Роль внешнего электрода могут играть различные удалённые заземлённые предметы, например стены, пол и потолок комна­ты. Поэтому часто говорят просто о поле заряженного шара (рис.10), не указывая, что именно является вторым электродом. Из формулы (*) следует, что электрическое поле шара, равномерно заряженного по поверхности, во внешнем про­странстве совпадает с полем точечного заряда, равного полному заряду шара и помещённого в центре шара. Если бы мы рассмотрели шар, заряженный равномерно по объёму, то напряженность поля тоже выражалась бы формулой (*). Напряженность же поля внутри шара в обоих случаях различна. В случае шара, равномерно заряженного по поверхности Е = О в любой внутренней точке. Если же шар заряжен равномерно по объёму, то Е= 0 только в центре шара и с увеличением расстояния r от центра воз­растает пропорционально r. В справедливости этого можно убедиться также при помощи теоремы Остроградского-Гаусса.

Пример: «клетка Фарадея».

металл

++++++++++++++++

`Е = 0

+ +

+ +

+ +

+ +

+ + + + + + + + + + + + + + +

Рис.11.

studfiles.net

2. Линии напряженности. Поток вектора на­пряжённости электрического поля.

Для того, чтобы описать электрическое поле, нужно задать Е в каждой точке поля . Это можно сделать аналитически, выражая зависимость Е(х,у,z) в виде формул. Однако, это можно сделать и графически с помощью так называемых линий напряженности или силовых линий.

Силовой линией, или линией вектора напряженности поля, называют ли­нию, проведенную в электрическом поле, для которой направление каса­тельной в любой точке совпадает с направлением вектора напряженности поля (рис.2)

`E

Рис.2 `E

Т.к. касательная определяет два взаимно противоположных направления, то силовой линии приписывают определенное направление, отмечая его на чертеже стрелкой.

Густота силовых линий на чертеже отражает величину напряжен­ности поля, а именно, число силовых линий, проходящих через единицу поверхности, перпендикулярной к силовым линиям, равно ( или пропор­ционально) величине напряженности поля в данном месте. Вследствие на­глядности графический способ представления полей широко применяют в электротехнике.

Из сказанного следует, что силовую линию можно провести через всякую точку поля. Далее, т.к. в каждой точке поля вектор напряженности имеет вполне определенное (одно!) положение, то силовые линии нигде не пересекаются.

В качестве примера рассмотрим картину силовых линий точечного заряда. Для точечного заряда `E||`r и линии напряженности направлены по радиусам, проведённым из заряда. Для положительного заряда (q>0) эти линии исходят из заряда и уходят в ¥ (рис.3 а). Для отрицательного заряда (q<0) `E направлен против радиус-вектора `r, а линии напряженности идут из ¥ и сходятся в точке нахождения заряда (рис.3 б). Как видно из рисунка, густота линий убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от заряда, т.е. так же, как и

Рис.3.

напряженность поля.

Т.е. густота линий равна отношению полного числа линий N к ве­личине поверхности сферы радиуса r, т.е. N/4pr²~1/r².

На рис.4 показано электрическое поле между двумя равными по величине точечными зарядами одинаковых и противоположных (рис.5) знаков, расположенными на рас­стоянии l друг от друга (диполь).

Рис.4. Рис.5. (Дипольный момент Р = q l ).

Связь между электрическим полем и его источником может быть выражена до­статочно просто. Для этого введём понятие потока вектора на­пряженности, которое используется при формулировке важнейших свойств электрического, магнитного и других векторных полей.

Рассмотрим в пространстве некоторое электрическое поле и замкнутую поверх­ность произвольной формы.

Разделим всю поверхность на столь малые части, что поверхность каждой части (элемента поверхности) мож­но считать практически плоской; на такой поверхности вектор напряженности электрического поля не будет заметно меняться. Направление элемента поверхности представим вектором нормали. За положительную нормаль к поверхности примем внешнюю нормаль, т.е. нормаль, направленную на­ружу. Способ разделения поверхности на элементы не имеет значения, пока элементы достаточно малы. Число силовых линий, равных скалярному произведению

N = (`E×`n)dS_i = Ф_i — называется потоком вектора напряженности через элемент поверхности dS_i.

Величина Ф может быть >0 и<0, т.к. нормаль может быть как поло­жительной, так и отрицательной.

Теперь сложим потоки через все элементы поверхности и получим поток через всю поверхность

Ф = ò (`E×`n)dS =ò (E_n ×dS,

где Е_n— проекция `Е на направление нормали к площадке dS, где интеграл берется по поверхности S.

Пусть Вас не пугает сложность вычисления таких интегралов для поверхностей сложной формы. Удивительное свойство, которое мы с вами сейчас рассмотрим, делает такие вычисления ненужными!

Теорема Остроградского-Гаусса.

1). Возьмём наиболее простой случай: предположим, что поле созда­но изолированным положительным точечным зарядом q и что поверх­ностью является сфера радиуса r, в центре которой расположен точечный заряд (Риc. 6). Чему равен поток Ф через такую поверхность?

Рис.6.

Ответить на этот вопрос легко, т.к. в каждой точке поверхности

`E = (1/4pe<sub>0</sub>)(q/r<sup>3</sup>)`r,

а поверхность сферы S=4pr², тогда

Ф = E×4pr²= (q/4pe₀ r²) 4pr²=q/e₀.

Как мы видим из этой формулы, поток не зависит от размеров сфе­ры.

2). Покажем теперь, что поток не зависит и от формы поверхности, окружающей заряд q. Проведем две концентрические сферы разных радиусов. Мы увидим, что число линий напряженности электрического поля, пронизывающих сферы, одинаково. Между этими сферами линии вектора напряженности `Е идут непрерывно, нигде не заканчиваясь и не начинаясь вновь. Поэтому, если мы проведем между этими сферами замкнутую поверхность S₁произвольной формы, тоже охватывающую заряд q, то поток вектора напряженности через эту поверхность также будет равен q/e₀.

Напомню, что линии напряженности электрического поля начинаются и заканчиваются только на электрических зарядах. Если замкнутая поверх­ность не охватывает заряда, то поток вектора электрического поля через эту поверхность равен нулю, т.к. число силовых линий, входящих в поверхность, рав­но числу выходящих из неё.

3). Пусть поле создается не одним точечным зарядом, а произволь­ной системой точечных зарядов q₁, q₂, q_3…q_n. По принципу суперпозиции на­пряжённость результирующего электростатического поля равна векторной сумме напряжённостей электростатических полей, создаваемых каждым из зарядов в отдельности :

`E = `E₁+`E<sub>2</sub> +`E₃ +…+`E<sub>n</sub> = S`E_i.

поэтому проекция вектора `Е на на­правление нормали к площади dS равна алгебраической сумме проекций всех векторов `Е_i на это направление

Поток напряженности результирующего поля сквозь произвольную замкнутую поверхность S, охватывающую заряды q₁, q₂, …q_k , и не охватывающую заряды q_k+1…q_m, равен , но Ф_i=0, если i>k

поэтому

,т.е.

поток вектора напряженности электростатического поля в вакууме сквозь произвольную замкнутую поверхность равен отношению алгебраической суммы зарядов, охватываемых этой поверхностью, к электрической постоянной. Это и есть теорема Оетроградского -Гаусса применительно к электростатическому полю в вакууме.

Теорема Остроградского-Гаусса выведена нами как прямое следствие из закона Кулона. Она позволяет сравнительно просто рассчитывать электрические поля при симмет­ричных распределениях зарядов и окружающих их диэлектриков.

Для характеристики электрического поля наряду с `Е удобно ввести ещё одну векторную ве­личину `D , называемую электрическим смещением или электрической индукцией. Для поля в электрически изотропной среде связь `D и `E в СИ имеет вид

`D = ee<sub>0</sub> `E

Тогда _к

-теорема Остроградского-Гаусса.

Поток вектора электрического смещения сквозь произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме электрических зарядов, охватываемых этой поверхностью.

Рассмотрим некоторые простые примеры вычисления электрического поля с помощью теоремы Остроградского-Гаусса.

Пример 1. Равномерно-заряженная плоскость.

Имеется безграничная плоскость, заряженная равномерно с поверхностной плот­ностью заряда s. Найти напряженность Е(х), где х — расстояние до плоскости.

Из симметрии задачи очевидно, что линии напряженности должны быть направлены симметрично в обе стороны от плоскости ^ ей. В этом случае в качестве замкнутой поверхности в теореме Остроградского-Гаусса удобно выбрать прямой цилиндр, перпендикулярный к заряженной плоскости, ограниченный двумя плоскими основаниями, перпендикулярными к силовым линиям и расположенными по обе стороны заряженной плоскости (рис.7).

Рис. 7. Рис.8.

Т.к. образующие цилиндра параллельны вектору напряженности электрического поля `Е, то поток через боковую поверхность цилиндра равен нулю и поэтому полный по­ток сквозь цилиндр равен сумме потоков через его основания

Ф =^:2ЕS.

Полный заряд, заключенный внутри цилиндра равен Ss. Поэтому применяя теорему О-Г, имеем:

2ЕS =sS/e₀, откуда

Е = s/2e₀,

т.е. `Е не есть функция расстояния. Следовательно `Е = соnst по величине и по направлению.

Если плотность заряда отрицательная, т.е. (-s), то линии напряжённости имеют противоположное направление.

Пример2. Определим поле между двумя плоскостями, равномерно с одинаковой плотностью заряженными разноимёнными зарядами (плоский конденсатор, рис.8). Считаем плоскости бесконечными.

Заряженная плоскость каждой пластины создаст по обе стороны от себя напря­женность поля, выражаемую формулой ±s/2e₀. Внутри металлических пластин и вне конденсатора эти поля направлены противоположно и поэтому в сумме дают нуль. Внутри конденсатора эти поля, напротив, направлены одинаково и, складываясь, дают у поверхности пластин напряженность Е = s/e₀. В данном частном случае электрическое поле од­нородно и поэтому его напряженность у поверхности пластин такая же, как и в других точках поля.

Пример 3. Равномерно заряженный шар.

Рассмотрим электрическое поле между двумя шаровыми концентрическими электродами (рис.9) — шаровой конденсатор. Под действием взаимного притяжения (-) и (+ ) заря­ды расположатся только на поверхности внутреннего шара и на внутренней поверх­ности внешнего

Рис.9. Рис.10.

электрода. Из условий симметрии очевидно, что заряды на обоих ша­ровых электродах будут распределены равномерно, и что линии напряженности электрического поля могут быть только радиальными прямыми. Выберем в качестве замкнутой поверхности сферу с ра­диусом r, расположенную между электродами и имеющую общий центр с обоими элек­тродами.

По теореме Остроградского-Гаусса

Ф = Е(r)4pr² = q/e₀,

откуда

Е(r)=q/4pe₀r². (*)

Эта формула показывает, что напряжённость поля между электродами за­висит от расстояния r рассматриваемой точки поля от центра внутреннего шара, но не зависит вовсе от размеров внешнего электрода. Ту же напряженность поля получим, если радиус внешнего электрода будет как угодно велик. Роль внешнего электрода могут играть различные удалённые заземлённые предметы, например стены, пол и потолок комна­ты. Поэтому часто говорят просто о поле заряженного шара (рис.10), не указывая, что именно является вторым электродом. Из формулы (*) следует, что электрическое поле шара, равномерно заряженного по поверхности, во внешнем про­странстве совпадает с полем точечного заряда, равного полному заряду шара и помещённого в центре шара. Если бы мы рассмотрели шар, заряженный равномерно по объёму, то напряженность поля тоже выражалась бы формулой (*). Напряженность же поля внутри шара в обоих случаях различна. В случае шара, равномерно заряженного по поверхности Е = О в любой внутренней точке. Если же шар заряжен равномерно по объёму, то Е= 0 только в центре шара и с увеличением расстояния r от центра воз­растает пропорционально r. В справедливости этого можно убедиться также при помощи теоремы Остроградского-Гаусса.

Пример: «клетка Фарадея».

металл

++++++++++++++++

`Е = 0

+ +

+ +

+ +

+ +

+ + + + + + + + + + + + + + +

Рис.11.

studfiles.net

Реферат / 28. Линии напряжённости электростатического поля. Поток вектора напряжённости. Теорема Отсроградского-Гаусса

Графически электростатическое поле изображают с помощью линий напряженности — линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора Е (рис. 119). Линиям напряженности приписывается направление, совпадающее с направлением вектора напряженности. Так как в каждой данной точке пространства вектор напряженности имеет лишь одно направление, то линии напряженности никогда не пересекаются. Для однородного поля (когда вектор напряженности в любой точке постоянен по величине и направлению) линии напряженности параллельны вектору напряженности. Если поле создается точечным зарядом, то линии напряженности — радиальные прямые, выходящие из заряда, если он положителен (рис. 120, а), и входя­щие в него, если заряд отрицателен (рис. 120, б). Вследствие большой наглядности графический способ представления электростатического поля широко применяется в электротехнике.

Чтобы с помощью линий напряженности можно было характеризовать не только направление, но и значение напряженности электростатического поля, условились про­водить их с определенной густотой (см. рис. 119): число линий напряженности, прони­зывающих единицу площади поверхности, перпендикулярную линиям напряженности, должно быть равно модулю вектора Е. Тогда число линий напряженности, пронизыва­ющих элементарную площадку dS, нормаль n которой образует угол  с вектором Е, равно Е dS cos = E_ndS, где Е_п—проекция вектора Е на нормаль n к площадке dS (рис. 121).Величина

называется потоком вектора напряженности через площадку dS. Здесь dS = dSn — век­тор, модуль которого равен dS, а направление совпадает с направлением нормали n к площадке. Выбор направления вектора n (а следовательно, и dS) условен, так как его можно направить в любую сторону. Единица потока вектора напряженности электростатического поля — 1 Вм.

Для произвольной замкнутой поверхности S поток вектора Е сквозь эту поверх­ность

(79.3)

где интеграл берется по замкнутой поверхности S. Поток вектора Е является алгебра­ической величиной: зависит не только от конфигурации поля Е, но и от выбора направления n. Для замкнутых поверхностей за положительное направление нормали принимается внешняя нормаль, т. е. нормаль, направленная наружу области, охватыва­емой поверхностью.

Теорема Остроградского-Гаусса.

1) поле созда­но изолированным положительным точечным зарядом q и что поверх­ностью является сфера радиуса r, в центре которой расположен точечный заряд (Риc. 6). Чему равен поток Ф через такую поверхность?

в каждой точке поверхности

`E = (1/4pe<sub>0</sub>)(q/r<sup>3</sup>)`r, а поверхность сферы S=4pr², тогда

Ф = E×4pr²= (q/4pe₀ r²) 4pr²=q/e₀.

поток не зависит от размеров сфе­ры.

2).поток не зависит и от формы поверхности,окружающей заряд q. Проведем две концентрические сферы разных радиусов. Мы увидим, что число линий напряженности электрического поля, пронизывающих сферы, одинаково. Между этими сферами линии вектора напряженности `Е идут непрерывно, нигде не заканчиваясь и не начинаясь вновь. Поэтому, если мы проведем между этими сферами замкнутую поверхность S₁произвольной формы, тоже охватывающую заряд q, то поток вектора напряженности через эту поверхность также будет равен q/e₀.

линии напряженности электрического поля начинаются и заканчиваются только на электрических зарядах. Если замкнутая поверх­ность не охватывает заряда, то поток вектора электрического поля через эту поверхность равен нулю, т.к. число силовых линий, входящих в поверхность, рав­но числу выходящих из неё.

3). Пусть поле создается не одним точечным зарядом, а произволь­ной системой точечных зарядов q₁, q₂, q_3…q_n. По принципу суперпозиции на­пряжённость результирующего электростатического поля равна векторной сумме напряжённостей электростатических полей, создаваемых каждым из зарядов в отдельности :

E = `E<sub>1</sub>+`E₂ +`E<sub>3</sub> +…+`E_n = S`E_i.

поэтому проекция вектора `Е на на­правление нормали к площади dS равна алгебраической сумме проекций всех векторов `Е_i на это направление

Поток напряженности результирующего поля сквозь произвольную замкнутую поверхность S, охватывающую заряды q₁, q₂, …q_k , и не охватывающую заряды q_k+1…q_m, равен , но Ф_i=0, если i>k поэтому ,т.е.поток вектора напряженности электростатического поля в вакууме сквозь произвольную замкнутую поверхность равен отношению алгебраической суммы зарядов, охватываемых этой поверхностью, к электрической постоянной. Это и есть теорема Оетроградского -Гаусса применительно к электростатическому полю в вакууме. Теорема Остроградского-Гаусса выведена нами как прямое следствие из закона Кулона. Она позволяет сравнительно просто рассчитывать электрические поля при симмет­ричных распределениях зарядов и окружающих их диэлектриков.

studfiles.net

28. Линии напряженности. Поток вектора

НА­ПРЯЖЁННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ. ТЕОРЕМА ОСТРОГРАДСКОГО-ГАУССА

Для того, чтобы описать электрическое поле, нужно задать Е в каждой точке поля . Это можно сделать аналитически, выражая зависимость Е(х,у,z) в виде формул. Однако, это можно сделать и графически с помощью так называемыхлиний напряженности или силовых линий.

Силовой линией, илилинией вектора напряженности поля, называют ли­нию, проведенную в электрическом поле, для которой направление каса­тельной в любой точке совпадает с направлением вектора напряженности поля

`E

Рис.2 `E

Т.к. касательная определяет два взаимно противоположных направления, то силовой линии приписывают определенное направление, отмечая его на чертеже стрелкой.

Густота силовых линий на чертеже отражает величину напряжен­ности поля, а именно, число силовых линий, проходящих через единицу поверхности, перпендикулярной к силовым линиям, равно величине напряженности поля в данном месте. Вследствие на­глядности графический способ представления полей широко применяют в электротехнике.

Отсюда следует, что силовую линию можно провести через всякуюточку поля. Далее, т.к. в каждой точке поля вектор напряженности имеет вполне определенное (одно!) положение, то силовые линии нигде не пересекаются.

рис.3

В качестве примера рассмотрим картину силовых линий точечного заряда. Для точечного заряда `E||`r и линии напряженности направлены по радиусам, проведённым из заряда. Для положительного заряда (q>0) эти линии исходят из заряда и уходят в¥. Для отрицательного заряда(q<0) `E направлен против радиус-вектора `r, а линии напряженности идут из¥и сходятся в точке нахождения заряда. Как видно из рисунка,густота линий убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от заряда, т.е. так же, как и напряженность поля.

Т.е. густота линий равна отношению полного числа линий N к ве­личине поверхности сферы радиуса r, т.е. N/4pr²~1/r².

На рис.4 показано электрическое поле между двумя равными по величине точечными зарядами одинаковых и противоположных знаков, расположенными на рас­стоянии l друг от друга.

Рис.4. Рис.5. (Дипольный момент Р = q l ).

Связь между электрическим полем и его источником может быть выражена до­статочно просто. Для этого введём понятиепотока вектора на­пряженности, которое используется при формулировке важнейших свойств электрического, магнитного и других векторных полей.

Рассмотрим в пространстве некоторое электрическое поле и замкнутую поверх­ность произвольной формы. Разделим всю поверхность на столь малые части, что поверхность каждой части мож­но считать практически плоской; на такой поверхности вектор напряженности электрического поля не будет заметно меняться. Направление элемента поверхности представим вектором нормали. За положительную нормаль к поверхности примем внешнюю нормаль, т.е. нормаль, направленную на­ружу. Способ разделения поверхности на элементы не имеет значения, пока элементы достаточно малы. Число силовых линий, равных скалярному произведению

N = (`E×`n)dS_i = Ф_i — наз потоком вектора напряженности через элемент поверхности dS_i.

Величина Ф может быть >0 и<0, т.к. нормаль может быть как поло­жительной, так и отрицательной.

Теперь сложим потоки через все элементы поверхности и получим поток через всю поверхность

Ф = ò (`E×`n)dS =ò (E_n ×dS,

где Е_n— проекция `Е на направление нормали к площадке dS, где интеграл берется по поверхности S.

Пусть Вас не пугает сложность вычисления таких интегралов для поверхностей сложной формы.

Теорема Остроградского-Гаусса.

1). Возьмём наиболее простой случай: предположим, что поле созда­но изолированным положительным точечным зарядом q и что поверх­ностью является сфера радиуса r, в центре которой расположен точечный заряд . Чему равен поток Ф через такую поверхность?

Рис.6.

Ответить на этот вопрос легко, т.к. в каждой точке поверхности E = (1/4pe₀)(q/r³)`r,

а поверхность сферы S=4pr², тогдаФ =E×4pr²= (q/4pe₀ r²) 4pr²=q/e₀.

Как мы видим из этой формулы, поток не зависит от размеров сфе­ры.

2). Покажем теперь, что поток не зависит и от формы поверхности, окружающей заряд q. Проведем две концентрические сферы разных радиусов. Мы увидим, что число линий напряженности электрического поля, пронизывающих сферы, одинаково. Между этими сферами линии вектора напряженности `Е идут непрерывно, нигде не заканчиваясь и не начинаясь вновь. Поэтому, если мы проведем между этими сферами замкнутую поверхность S₁произвольной формы, тоже охватывающую заряд q, то поток вектора напряженности через эту поверх. также будет равен q/e₀.

Напомню, что линии напряженности электрического поля начинаются и заканчиваются только на электрических зарядах. Если замкнутая поверх­ность не охватывает заряда, то поток вектора электрического поля через эту поверхность равен нулю, т.к. число силовых линий, входящих в поверхность, рав­но числу выходящих из неё.

3) Пусть поле создается не одним точечным зарядом, а произволь­ной системой точечных зарядов q₁, q₂, q_3…q_n. По принципу суперпозиции на­пряжённость результирующего электростатического поля равна векторной сумме напряжённостей электростатических полей, создаваемых каждым из зарядов в отдельности : E=`E<sub>1</sub>+`E₂+`E<sub>3</sub>+…+`E_n=S`E_i.

поэтому проекция вектора `Е на на­правление нормали к площади dS равна алгебраической сумме проекций всех векторов `Е_i на это направление

Поток напряженности результирующего поля сквозь произвольную замкнутую поверхность S, охватывающую заряды q₁, q₂, …q_k , и не охватывающую заряды q_k+1…q_m, равен , но Ф_i=0, если i>kПоэтому ,т.е.

поток вектора напряженности электростатического поля в вакууме сквозь произвольную замкнутую поверхность равен отношению алгебраической суммы зарядов, охватываемых этой поверхностью, к электрической постоянной. Это и есть теорема Остроградского -Гаусса применительно к электростатическому полю в вакууме. Теорема Остроградского-Гаусса выведена нами как прямое следствие из закона Кулона. Она позволяет сравнительно просто рассчитывать электрические поля при симмет­ричных распределениях зарядов и окружающих их диэлектриков.

Для характеристики электрического поля наряду с `Е удобно ввести ещё одну векторную ве­личину `D , называемую электрическим смещением или электрической индукцией. Для поля в электрически изотропной среде связь`D и`E в СИ имеет вид`D = ee<sub>0</sub> `E

Тогда-теорема Остроградского-Гаусса.

Поток вектора электрического смещения сквозь произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме электрических зарядов, охватываемых этой поверхностью.

studfiles.net

Линия — напряженность — электростатическое поле

Линия — напряженность — электростатическое поле

Cтраница 1

Линии напряженности электростатического поля не могут иметь истока в точке, где отсутствует электрический заряд.  [1]

Линии напряженности электростатического поля начинаются на положительных электрических зарядах и кончаются на отрицательных электрических зарядах или уходят в бесконечность.  [2]

Линии напряженности электростатического поля перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям. Работа электрических сил при перемещении заряда по эквипотенциальной поверхности равна нулю.  [3]

Линии напряженности электростатического поля перпендикулярны эквипотенциальной поверхности.  [4]

Почему линии напряженности электростатического поля вблизи поверхности проводника перпендикулярны этой поверхности.  [5]

Другими словами, линии напряженности электростатического поля подходят к поверхности проводника по нормалям.  [6]

На рис. 230 даны линии напряженности электростатического поля ( без указания их направлений) вблизи бесконечно протяженного положительно заряженного листа, помещенного в однородное электрическое поле. Какие направления линии напряженности не согласуются с теоремой Гаусса.  [7]

Чем отличаются линии индукции магнитного поля от линий напряженности электростатического поля. О чем свидетельствует это отличие.  [8]

Под этим центральным углом в 20 должны проводиться линии напряженности электростатического поля по условию данной задачи.  [9]

Для сравнения магнитного поля с электростатическим полезно напомнить, что линии напряженности электростатического поля разомкнуты. Они начинаются на положительных зарядах, оканчиваются на отрицательных и вблизи от заряженного проводника направлены перпендикулярно его поверхности.  [10]

В § 61 мы говорили, что в однородной среде линии напряженности электростатического поля совпадают с линиями тока. На этом основан ценный практический метод экспериментального исследования электрических полей.  [12]

Следует отметить, что линии индукции любого магнитного поля отличаются от линий напряженности электростатического поля своей замкнутостью. Следовательно, магнитное поле является полем вихревым.  [13]

Существенная особенность рассматриваемого явления заключается в том, что возникающее электрическое поле не является электростатическим. Линии напряженности электростатического поля всегда разомкнуты; они начинаются и заканчиваются на электрических зарядах, в соответствии с чем напряжение по замкнутому контуру в электростатическом поле всегда равно нулю. По этой причине электростатическое поле не может поддерживать замкнутое движение зарядов и, следовательно, не может привести к возникновению электродвижущей силы. Напротив, электрическое поле, возникающее при электромагнитной индукции, имеет непрерывные линии напряженности, т.е. представляет собой вихревое поле. Такое поле вызывает в проволоке движение электронов по замкнутым траекториям и приводит к возникновению электродвижущей силы — сторонними силами являются силы вихревого электрического поля. Электрическое напряжение по замкнутому контуру в таком поле не равно нулю; его значение между двумя какими-либо точками уже не определяется только положением этих точек, как было в случае электростатического поля, но зависит еще от формы контура ( проводника), соединяющего данные точки ( ср. Таким образом, углубленное истолкование явления электромагнитной индукции приводит к следующему выводу, выражающему первое основное положение теории Максвелла: всякое изменение магнитного поля вызывает появление вихревого электрического поля.  [14]

Мы видели, что между электростатическими и магнитными явлениями имеется глубокое различие. Существуют электрические заряды; линии напряженности электростатического поля начинаются на одних зарядах и оканчиваются на других или уходят в бесконечность. Магнитное же поле возникает около электрических токов, линии магнитной напряженности охватывают ток в виде замкнутых кривых или уходят в бесконечность; никаких магнитных зарядов реально не существует. Аналогия может быть проведена лишь между магнитным полем соленоида или прямого постоянного магнита ( в области пространства, внешней по отношению к соленоиду или магниту) и полем электричеекого диполя.  [15]

Страницы:      1    2

www.ngpedia.ru