Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме

Теорема Гаусса для электростатического  поля в вакууме.

 

В соответствии с (7), поток вектора напряжённости сквозь сферическую поверхность радиуса R, охватывающую сферический заряд q, находившийся в её центре:

(Рисунок)

                    (10)

Этот результат справедлив для  замкнутой поверхности любой  формы. Рассмотрим общий случай для  произвольной поверхности, окружающей n зарядов.

В соответствии с принципом суперпозиции   . Поэтому

,

                                             (11)

(11) – выражает теорему Гаусса для электростатического поля:

Поток вектора напряжённости электростатического  поля в вакууме через произвольную замкнутую поверхность равен  алгебраической сумме заключённых  внутри этой поверхности зарядов, делённых на электрическую постоянную.

Если заряд распределён с  объёмной плотностью  , то

                                      (12)

или           (13)

 

 

 

Применение  теоремы Гаусса к расчёту поля.

1. Поле равномерно заряженной бесконечной плоскости с поверхностной плотностью заряда  .

(Рисунок)

В качестве замкнутой поверхности  возьмём цилиндр, ось которого перпендикулярна  плоскости. Поток через боковые  стенки цилиндра равен нулю, так как линии напряжённости перпендикулярны оси цилиндра и его образующей. Полный поток сквозь цилиндр равен сумме потоков через его основания   .

Заряд внутри цилиндра согласно теореме Гаусса:    

, откуда   .

2. Поле равномерно заряженной сферической поверхности.

(Рисунок)

  Если r >R, то по теореме Гаусса получим:

, где , откуда   .

  Если  < R, то замкнутая поверхность не содержит электрического заряда.  Следовательно E = 0.

 

Дивергенция и ротор электростатического  поля.

Заменяя по теореме Гаусса поверхностный  интеграл объёмным, получим:

Подставив вместо его значение из (13), получим:

Интегралы равны, следовательно равны  и подынтегральные выражения. Так  получим  теорему Гаусса для вектора напряжённости электростатического поля:

                 (14)

(14) – первое фундаментальное  уравнение электростатики. Так как , то

                                                    (15)

(15) -  второе основное уравнение электростатики.

Оба основных уравнения электростатики эквивалентны закону Кулона, так как  сила поля изменяется по закону .

Для любой радиальной силы  выполняемая работа не зависит от пути и существует потенциал.

 

Потенциал электростатического поля.

Из механики известно, что    .

В нашем случае заряд    перемещается в поле заряда q из точки А в точку В.

(Рисунок).

Тогда можно записать    

Криволинейный путь ab можно представить следующим образом.

(Рисунок)

На участке  работа равна нулю, так как вектор силы перпендикулярен вектору перемещения.

На участке  элементарная работа равна:   

    (16)

Откуда следует, что потенциальная  энергия заряда  в поле заряда q равна:

                 (17)

Потенциальная энергия,  как и в механике, определяется не однозначно, а с точностью до производной константы C . Если принять, что при  , , то  .  Тогда

           (18)

Для одноимённых зарядов  потенциальная энергия U положительна (отталкивание).

Для разноимённых зарядов потенциальная  энергия U отрицательна (притяжение).

Если поле создаётся системой точечных зарядов, то вследствие принципа суперпозиции:

    (19) 

Из формул (18) и (19) вытекает, что  отношение U к  не зависит от поэтому и является энергетической характеристикой поля  -  потенциал.

                    (20)

Из формул (19) и (20) следует принцип  суперпозиции для потенциала:

                                                         (21)

Из формул (18) и (20) следует, что потенциал  поля, создаваемого точечным зарядами q будет:

                           (22)

Работа, совершаемая силами электростатического  поля при перемещении заряда из точки  А в точку В, может быть представлена как 

 

  Если , то , следовательно можно записать   , откуда             (23)

Таким образом потенциал есть физическая величина, определяемая работой по перемещению единичного положительного заряда из данной точки поля в бесконечность.

[1 В]  - потенциал такой точки поля, в которой заряд в 1Кл обладает энергией в 1Дж.

 

Напряжённость как градиент потенциала. Эквивалент потенциальной поверхности.

Найдём взаимосвязь между напряжённостью электростатического поля (его силовая характеристика) и потенциалом (энергетическая характеристика).

(Рисунок)

Работа по перемещению единичного положительного заряда из точки 1 в  точку 2.

                          (24)

 

                                  (25)

Для трехмерного случая получим:

              (26)

где - единичные векторы координат x, y, z.

Выражение (26) можно представить в виде:

          (27)

Знак минус показывает, что вектор напряжённости направлен в сторону  меньшего потенциала.

В большинстве случаев найти потенциал поля, а затем рассчитать вектор напряжённости.

Для графического изображения распределения  потенциала электростатического поля пользуются эквипотенциальными поверхностями, в большинстве точек которых  потенциал постоянен.

(Рисунок)

Вектор напряжённости всегда перпендикулярен касательной эквипотенциальных поверхностей в точках их пересечения.

(Рисунок)

Чем гуще распределены эквипотенциальные  поверхности, тем больше величина напряжённости  электростатического поля.

У острия напряжённость больше, поэтому заряды стекают с острия.

 

Примеры расчёта потока в вакууме.

1. Поле двух бесконечно параллельных пластин, которые заряжены разноимённо, определяется по формуле:

, где  - поверхностная плотность заряда.

(Рисунок)

- разность потенциалов между  плоскостями.

2. Поле равномерно заряженное сферическими поверхностями радиуса R, заряда q вычисляется по формуле:

при .

Разность потенциалов между произвольной точкой поля и поверхностью сферы будет равна:

 

Типы  диэлектриков. Поляризация диэлектриков.

Электрический диполь – система двух равных по модулю разноимённых точечных зарядов, расстояние между которыми меньше расстояния до рассматриваемых точек поля.

(Рисунок)

, где   - электрический момент диполя (дипольный момент)

  - плечо диполя.

Поляризацией диэлектриков называется явление поляризации диполя или появление под воздействием электрического поля ориентированных по полю диполей.

Различают три вида поляризации  диэлектриков:

• электронная (деформационная) поляризация диэлектриков с неполярными молекулами (N₂, H₂, O₂).

(Рисунок)

Возникает за счёт деформации электрических  полей.

• ориентационная (дипольная) поляризация. Заключается в ориентации имеющихся дипольных моментов молекул (H₂O, NH₃,  CO).

(Рисунок)

• ионная поляризация диэлектриков с ионными кристаллами – заключается в том, что происходит смещение от кристаллической решётки положительных ионов вдоль поля, а отрицательных против поля, приводящих к возникновению дипольного момента (NaCl, KCl).

(Рисунок)

 

Жидкие  кристаллы.

Вещество является текучим, то есть является жидкостью и в то же время её свойства анизотронны  - подобны кристаллам.

Рисунок	Рисунок
Нематического типа (дальняя упорядочность  чисто ориентационная)	Смектического типа  (одно- или двумерная  упорядочность в расположении центра масс молекул)

 

Жидкокристаллические свойства присущи  диэлектрикам, характеризующихся вторым типом поляризации.

 

Проводники  в электростатическом поле.

Вектор напряжённости электростатического  поля в проводнике равен нулю ( ). Если бы поле не равнялось нулю, то в проводнике возникло бы упорядоченное движение зарядов без затраты энергии от внешнего источника, что противоречит закону сохранения энергии.

(Рисунок)

На одном конце проводника избыток  положителен, на другом – отрицателен. Это индуцирует заряды.

Явление перераспределения поверхностных  зарядов на проводнике во внешнем  электростатическом поле называется электростатической индукцией.

Электрические заряды располагаются  на поверхностном слое толщиной в 1-2 атомных слоя. На этом явлении основана электростатическая защита от влияния внешних электростатических полей.