Теорема Гаусса-Остроградского

Найдем поток вектора напряженности электрического поля, создаваемого точечным зарядом q, через сферическую поверхность радиуса r.

Площадь ее поверхности . Силовые линии электрического поля, (см. рис. 2), идут по радиусам к поверхности сферы и поэтому угол между векторами и равен нулю.

. (4)

Можно показать, что поток через замкнутую поверхность не зависит от формы поверхности и от расположения зарядов в ней.

Рассмотрим поток, создаваемый системой зарядов, сквозь замкнутую поверхность произвольной формы, внутри которой они находятся (рис.3): .

Согласно принципу суперпозиции поэтому

таким образом . (5)

Итак, мы доказали теорему Гаусса — Остроградского:

«полный поток вектора напряженности электростатического поля через произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме зарядов, охватываемых этой поверхностью, деленной на ».

Теорему Гаусса — Остроградского, (5), можно записать в дифференциальной форме:

, (6)

где - объемная плотность заряда.

, знак - оператор набла.

Из теоремы Гаусса — Остроградского вытекают следствия: 1) линии вектора (силовые линии) нигде, кроме зарядов, не начинаются и не заканчиваются: они, начавшись на заряде, уходят в бесконечность для положительного заряда, либо, приходя из бесконечности, заканчиваются на отрицательном заряде (картина силовых линий приводится на рис. 4); 2) если алгебраическая сумма зарядов, охватываемых замкнутой поверхностью, равна нулю, то полный поток через эту поверхность равен нулю; 3) если замкнутая поверхность проведена в поле так, что внутри нее нет зарядов, то число входящих линий вектора напряженности равно числу выходящих и поэтому полный поток через такую поверхность равен нулю.

Теорема Гаусса позволяет рассчитать электрические поля, создаваемые заряженными телами различной формы:

2.2.1.Поле равномерно заряженной, бесконечно протяженной плоскости (рис. 5).

Построим цилиндр, ось которого перпендикулярна к поверхности, и применим теорему Гаусса-Остроградского

,

т.к. ,

то

отсюда , (7)

где s = q/S поверхностная плотность заряда, измеряемая в СИ в Кл/м².

2.2.2. Поле между двумя бесконечно протяженными, разноименно заряженными параллельными плоскостями, (см. рис. 6). Вне внутреннего промежутка, = 0 т. к. поля, созданные разноименно заряженными параллельными пластинами, направлены противоположно друг другу; между плоскостями .

Итак: . (8)

По этой же формуле определяется напряженность электрического поля вблизи заряженного проводника.

2.2.3. Поле заряженного цилиндра: заряженный цилиндр радиуса R, (см. рис. 7), окружим коаксиальной цилиндрической поверхностью радиуса r; поток вектора через основания равен нулю, т. к. , где – внешняя нормаль к основаниям цилиндра; поток через боковую поверхность , здесь h – высота цилиндра. Согласно теореме Гаусса – Остроградского, при

, (9)

где t = q/ h — линейная (погонная) плотность заряда, которая измеряется в Кл/м. Когда r < R, то = 0.

2.2.4 Поле заряженной сферы: поток вектора через поверхность сферы радиуса r,

(см. рис. 8, вверху), которая окружает заряженную сферу, имеющую радиус R ,при r R .По теореме Гаусса – Остроградского

oткуда (10)

E

т.е. вне заряженной сферы поле такое же, как и поле точечного за­ряда той же величины, помещенного в центре сферы. Внутри сферы нет зарядов, и поэтому поле там отсутствует, т.е.

при r < R имем = 0. Это свойство используют для экранировки от полей внешних зарядов; график Е = f(r) для случая заряженной сферы приведен на рис. 8, внизу.

Лекция 3. Потенциал электрического поля

3.1. Работа сил электрического поля:

3.1.1. В однородном поле (см. рис. 1). Однородное поле создают, например, большие металлические пластины, имеющие заряды противоположного знака. Найдем работу по перемещению заряда на расстояние d:

,

Таким образом, работа, совершаемая силами поля, не зависит от формы пути, по которому перемещался заряд, а зависит только от расстояния d, измеряемого вдоль силовой линии меж­ду начальным и конечным положением заряда.

3.1.2. В неоднородном поле точечного заряда q (см. рис. 2) Найдем работу по перемещению пробного заряда из точки 1 в точку 2 в поле, создаваемом точечным зарядом q:

. (2)

И в этом случае работа сил не зависит от формы пути. Она является только функцией начального и конечного положения заряда.

Для замкнутой траектории L она равна нулю, т. к. , т. е.

или , (3)

т.е. ЦИРКУЛЯЦИЯ ВЕКТОРА НАПРЯЖЕННОСТИ ПО ЛЮБОМУ ЗАМКНУТОМУ КОНТУРУ РАВНА НУЛЮ.

В механике было приведено следующее определение: «Силы, работа которых не зависит от формы пути, называются консервативными силами, а поля, работа сил которых не зави­сит от формы пути, называются потенциальными полями». Таким образом, рассмотренное нами электростатическое поле является потенциальным, а кулоновские силы - консерватив­ными.