Тема: Напряженность электрического поля

Основные формулы и указания к решению задачи

Напряженность электрического поля выражается формулой:

, (2.1)

где – сила, действующая на точечный положительный заряд q, помещенный в данную точку поля.

Сила, действующая на точечный заряд q, помещенный в электрическое поле

. (2.2)

Поток вектора напряженности электрического поля:

а) через произвольную поверхность S, помещенную в неоднородное поле,

или , (2.3)

где a – угол между вектором напряженности и нормалью к элементу поверхности;

dS – площадь элемента поверхности;

E_n – проекция вектора напряженности на нормаль.

б) через плоскую поверхность, помещенную в однородное электрическое поле,

Ф_Е = ЕS сos a. (2.4)

Поток вектора напряженности через замкнутую поверхность

, (2.5)

где интегрирование ведется по всей поверхности.

Теорема Остроградского – Гаусса. Поток вектора напряженности через любую замкнутую поверхность, охватывающую заряды q₁, q₂, …, q_n,

, (2.6)

где – алгебраическая сумма зарядов, заключенных внутри замкнутой поверхности;

n – число зарядов.

Напряженность электрического поля, создаваемого точечным зарядом q на расстоянии r от заряда,

. (2.7)

Напряженность электрического поля, создаваемого металлической сферой радиусом R, несущей заряд q, на расстоянии r от центра сферы:

а) внутри сферы (r < R):

E = 0; (2.8)

б) на поверхности сферы (r = R):

; (2.9)

в) вне сферы (r > R):

. (2.10)

Принцип суперпозиции наложения электрических полей: напряженность результирующего поля, созданного двумя (и более) точечными зарядами, равна векторной (геометрической) сумме напряженностей складываемых полей:

. (2.11)

В случае двух электрических полей с напряженностями и модуль вектора напряженности

, (2.12)

где a – угол между векторами и .

Напряженность поля, создаваемого бесконечно равномерно заряженной нитью (или цилиндром) на расстоянии r от ее оси,

, (2.13)

где t – линейная плотность заряда.

Линейная плотность заряда есть величина, равная отношению заряда, распределенного по нити, к длине нити (цилиндра):

. (2.14)

Напряженность поля, создаваемого бесконечной равномерно заряженной плоскостью:

, (2.15)

где s – поверхностная плотность заряда.

Поверхностная плотность заряда есть величина, равная отношению заряда, распределенного по поверхности, к площади этой поверхности:

. (2.16)

Напряженность поля, создаваемого двумя параллельными бесконечными равномерно и разноименно заряженными плоскостями с одинаковой по модулю поверхностной плотностью s заряда (например, поле плоского конденсатора)

. (2.17)

Пример решения задачи

Две концентрические проводящие сферы радиусами R₁ = 6 см и R₂ = 10 см несут соответственно заряды Q₁ = 1 нКл и Q₂ = –0,5 нКл. Найти напряженность Е поля в точках, отстоящих от центра на расстояниях r₁ = 5 см, r₂ = 9 см, r₁ = 15 см. Построить график Е(r).

Решение. Заметим, что точки, в которых требуется найти напряженности электрического поля, лежат в трех областях (рис. 2.1): области , области , области .

1. Для определения напряженности в области I проведем гауссову поверхность радиусом r₁ и воспользуемся теоремой Остроградского–Гаусса: (т.к. суммарный заряд, находящийся внутри гауссовой поверхности равен нулю). Из соображений симметрии Следовательно, и (напряженность поля в области I) во всех точках, удовлетворяющих условию , будет равна нулю, т.е. Е₁ = 0.

Рис. 2.1. Построение гауссовых поверхностей для расчета

напряженностей электрического поля.

2. В области II гауссову поверхность проведем радиусом r₂. В этом случае (диэлектрическую проницаемость среды будем считать равной единице (вакуум)):

(2.18)

(т.к. внутри гауссовой поверхности находится только заряд ). Из соображения симметрии то Е можно вынести за знак интеграла:

, или (2.19)

Обозначив напряженность Е для области II через , получим

(2.20)

где – площадь гауссовой поверхности. Тогда

. (2.21)

3. В области III гауссова поверхность проводится радиусом r₃. Обозначим напряженность Е области III через Е₃ и учтем, что в этом случае гауссова поверхность охватывает обе сферы и, следовательно, суммарный заряд будет равен . Тогда

. (2.22)

Заметив, что это выражение можно переписать в виде:

. (2.23)

Убедимся в том, что правая часть равенств (2.21) и (2.23) дает единицу напряженности:

. (2.24)

Выразим все величины в единицах СИ (Q₁ = 10^‑9 Кл, Q₂ = –0,5×10^‑9 Кл, r₁ = 0,09 м, r₂ = 0,15 м, м/Ф) и произведем вычисления:

Е₂ = 1,11 кВ/м; Е₃ = 200 кВ/м.

Построим график E(r). В области Е = 0. В области изменяется по закону В точке напряженность В точке (r стремится к слева) . В области изменяется по закону , причем в точке (r стремится к справа) . Таким образом, функция E(r) в точках и терпит разрыв.

График зависимости E(r) представлен на рис. 2.2.

Рис. 2.2. График зависимости E(r)

2.3 Задание для самостоятельного выполнения по вариантам

Дано n проводящих фигур (сфер, цилиндров, плоскостей) или шар из изотропного диэлектрика. Каждая фигура несет заряд, характеризующийся объемной r_n, поверхностной s_n или линейной t_n плотностью заряда. Точки А, В, С находятся на расстояниях r_А, r_В, r_С от центра или оси симметрии фигуры. Взаимодействие осуществляется в вакууме. Данные для решение задач приведены в табл. 2.1 и на рис. 2.3.

Фигуре с номером 1 соответствуют размеры R₁ и величины s₁, r₁, t₁ и т.д. (рис. 2.3). Если в строке табл. 2.1 с номером вашего варианта какие-то клетки не заполнены, значит для решения вашей задачи эти данные не нужны.

1. Используя теорему Остроградского-Гаусса и принцип суперпозиции электростатических полей, найти зависимость напряженности электрического поля от расстояния Е(r) для всех областей (внутри фигуры, между фигурами и вне фигур).

2. Сделать схематический рисунок и показать направление вектора Е в каждой области.

3. Вычислить напряженность Е в точках А, В, С удаленных от центра симметрии фигур на расстояния r_i.

4. Построить график зависимости Е(r) для всех областей.

Данные для выполнения задания. Таблица 2.1

№ вари-анта	Число и форма фигур	Размеры фигур, м	Поверхностная плотность заряда, нКл/м2	Линейная плотность заряда, нКл/м	Объемная плотность заряда, нКл/м3	Точеч­ный заряд, нКл	Расстояние от центра симметрии фигуры до точек, ri м
R1	R2	R3	s1	s2	s3	t1	t2	t3	r1	q	r1	r2	r3
	Три концентрические сферы	0,1	0,2	0,3		-20							0,05	0,15	0,4
	Три концентрические сферы	0,1	0,2	0,3	-10		-10						0,05	0,15	0,4
	Два коаксиальных бесконечных цилиндра	0,1	0,2						-5				0,05	0,15	0,3
	Два коаксиальных бесконечных цилиндра	0,1	0,2			-8							0,05	0,15	0,3
	Три коаксиальных бесконечных цилиндра	0,1	0,2	0,3					-10	-20			0,05	0,15	0,5
	Три коаксиальных бесконечных цилиндра	0,1	0,2	0,3	-10								0,05	0,15	0,5
	Две концентрические фигуры - шар окруженный сферой	0,1	0,4										0,05	0,2	0,5

Окончание таблицы 2.1

	Две концентрические фигуры - шар окруженный сферой	0,1	0,3			-30					-100		0,05	0,2	0,4
	Точечный заряд в центре сферы		0,3										0,1	0,2	0,4
	Точечный заряд в центре сферы		0,2			-10						-20	0,1	0,3	0,4
	Точечный заряд в центре двух концентрических сфер		0,3	0,5			-30					-10	0,2	0,4	0,6
	Точечный заряд в центре двух концентрических сфер		0,2	0,4		-20							0,1	0,3	0,5
	Две бесконечные параллельные плоскости	Находятся на расст. 0,02 м друг от друга		-30							Слева от I пл.	Между пл.	Справа от II пл.
	Две бесконечные параллельные плоскости	Находятся на расст. 0,01 м друг от друга	-10	-20							Слева от I пл.	Между пл.	Справа от II пл.
	Три бесконечные параллельные плоскости	Находятся на расст. 0,02 м друг от друга	-10								Слева от I пл.	Между I и II пл	Справа от II пл.
	Три бесконечные параллельные плоскости	Находятся на расст. 0,01 м друг от друга		-10							Слева от I пл.	Между II и III пл	Справа от III пл.

Схема к вариантам 1, 2	Схема к вариантам 3, 4
Схема к вариантам 5, 6	Схема к вариантам 7, 8
Схема к вариантам 9, 10	Схема к вариантам 11, 12
Схема к вариантам 13, 14	Схема к вариантам 15, 16

Рис. 2.3. Схемы расположения фигур