Ii методи розрахунку електростатичного поля

2.1 Коротка характеристика задач електростатики та методів

їхнього розв’язування

Самими простими задачами електростатики є задачі, коли задано закон зміни потенціалу в просторі і необхідно знайти закони розподілу напруженості поля і об’ємної густини зарядів , які створили дане поле. Такого роду задачі розв’язуються дворазовим диференціюванням потенціальної функції згідно з рівняннями Пуассона.

Більш складними є зворотні задачі, коли для заданого закону розподілу вільних зарядів у просторі необхідно визначити залежність зміни напруженості і потенціалу від координат. Розв’язування таких задач зводиться до розв’язування диференціальних рівнянь Пуассона або Лапласа з використанням граничних умов.

Досить часто зустрічаються задачі, коли задано розміри і просторове розташування тіл, їхні заряди або їхні потенціали, а необхідно визначити закономірність зміни напруженості поля і потенціалу для всіх точок простору.

В окремих випадках, коли поле, створене тілами, має який-небудь вид симетрії (циліндрична, сферична та ін.), такі задачі розв’язуються за допомогою теореми Гаусса. При цьому необхідно враховувати, що, якщо середовище, в якому створено поле, є неоднорідним (різні діелектричні проникності), то зручно розв’язок отримувати для кожної області окремо, узгоджуючи розв’язки один відносно одного таким чином, щоб виконувались граничні умови.

Розв’язування останнього типу задач в загальному вигляді, для довільної конфігурації заряджених тіл, є досить складним. В таких випадках застосовують спеціальні методи:

- метод зображень;

- метод розділу змінних;

- чисельні методи;

- метод конформних перетворень;

- графічні методи;

- методи моделювання та ін.

2.2 Застосування співвідношень, які пов’язані з законом Кулона

і методом накладання

Приклад 2.1

Два позитивних точкових заряди і (рис.2.1) розташовані на відстані один відносно одного.

Рисунок 2.1

Знайти на прямій, яка з’єднує ці заряди, точку , напруженість в якій дорівнює нулю, і точку , в якій напруженості, що створені кожним зарядом рівні і однаково направлені. Знайти також потенціали цих точок.

Розв’язування. В зв’язку з тим, що напруженість поля направлена від позитивного заряду, то точка повинна знаходитись між зарядами та і ближче до меншого заряду . Якщо позначити відстань між зарядом і точкою через , то повинна виконуватись рівність

.

Величина напруженості поля від точкового заряду визначається за (1.4), тому

; .

Врахувавши те, що за умовою задачі , отримаємо

= .

Після перетворень отримаємо квадратне рівняння

.

Розв’язком цього рівняння є два значення

і .

Перше значення визначає положення точки на відстані від заряду вправо, друге значення характеризує положення точки на відстані вліво від заряду (рис.2.1).

Застосувавши принцип накладання і (1.35) для визначення потенціалу від точкового заряду, отримаємо потенціали в точках і

,

.

Приклад 2.2

Визначити силу, яка діє в пустоті на заряд і напруженість поля в точці (рис.2.2), якщо задано: точкові заряди , , , відстань , , [Ф/м].

Рисунок 2.2

Розв’язування. На заряд діє дві сили – від заряду і від заряду .За законом Кулона

[Н],

[Н].

Напрямок дії сил показано на рис.2.2. В зв’язку з тим, що прямі а і розташовані під прямим кутом, то результуюча сила дорівнює

[Н].

Для визначення напруженості в точці А необхідно знайти відстані c,h і d. З прямокутного трикутника знаходимо

[мм], .

Звідси

[мм], с=1.8 [мм], [мм].

Знаходимо напруженість в точці А від кожного заряду

[В/м],

[В/м],

[В/м],

В зв’язку з тим, що заряд від’ємний, то напруженості і направлені в одну сторону, тому результуюча напруженість в точці А визначається за теоремою Піфагора

[В/м].

Приклад 2.3

В електричному полі позитивного точкового заряду напруга між точками А і В дорівнює 25 [В] (рис.2.3). Визначити величину і напрямок напруженості поля в точці С, якщо а=3[см], b=7[см], d=5[см].

Розв’язування. Напругу в електростатичному полі знаходимо як різницю потенціалів

.

Звідси знаходимо величину заряду

.

Рисунок 2.3

Напруженість в точці С

[В/м].

Направлена напруженість по прямій d в сторону від позитивного заряду .

Приклад 2.4

Визначити в точці А напруженість поля, створеного зарядом тонкого прямолінійного тіла, геометричні розміри якого наведені на рис.2.4.

Рисунок 2.4

Розв’язування. Припустимо, що тіло заряджене рівномірно з лінійною густиною заряду .

Будемо розв’язувати задачу в прямокутній системі координат і для знаходження напруженості електричного поля використаємо (1.14)

. (2.1)

Виділимо елемент на відстані від точки А. Вектор направлений від елементу до точки А, тому в прямокутній системі координат

, .

Підставимо ці значення в (2.1) та врахуємо, що межами інтегрування є значення –l₁ і l₂. Тоді

.

Ввівши нову змінну – кут , зручно взяти даний інтеграл. В зв’язку з тим, що

,

то

=

. (2.2)

Вираз (2.2) показує, що напруженість поля в точці А має складові по осі х

і по осі y

.

Величина загальної напруженості

.

Для випадку, коли довжина зарядженого тіла l значно більша відстані a , то і

,

тобто напруженість поля направлена перпендикулярно довгому зарядженому тілу, а її величина визначається

. (2.3)