40.Поток вектора напряженности электростатического поля. Теорема Гаусса. Вычисление напряженности поля заряженных сферы и шара с помощью теоремы Гаусса

Поток вектора напряженности электростатического поля

Введем понятие потока N вектора напряженности сквозь некоторую поверхность площадью S. Пусть плоская поверхность площадью S находится в однородном электростатическом поле (рис. 1). Вектор — нормаль к поверхности. Угол между направлением линий напряженности и нормалью равен α. Потоком N вектора напряженности через поверхность площадью S называют физическую скалярную величину, определяемую выражением

где En — проекция вектора на направление нормали .

Рис. 1

Так как густота линий напряженности характеризует модуль напряженности E, то можно сказать, что поток вектора напряженности через данную поверхность равен полному числу линий напряженности, проходящих через эту поверхность.

Если поле неоднородно, а поверхность не является плоской, то в этом случае для определения потока вектора напряженности поверхность разбивается на небольшие участки, которые можно считать плоскими, а поле в пределах каждого из них однородным. Затем находят элементарные потоки вектора напряженности Ni через малые площадки Si по формуле . Полный поток через поверхность равен алгебраической сумме элементарных потоков через все ее участки:

Теорема Гаусса(закон Гаусса) — один из основных законов электродинамики, входит в систему уравнений Максвелла. Выражает связь (а именно равенство с точностью до постоянного коэффициента) между потоком напряжённости электрического поля сквозь замкнутую поверхность и зарядом в объёме, ограниченном этой поверхностью.

Общая формулировка: Поток вектора напряжённости электрического поля через любую произвольно выбранную замкнутую поверхность пропорционален заключённому внутри этой поверхности электрическому заряду. где

—поток вектора напряжённости электрического поля через замкнутую поверхность S.

Q — полный заряд, содержащийся в объёме, который ограничивает поверхность S.

ε0 — электрическая постоянная.

Данное выражение представляет собой теорему Гаусса в интегральной форме.

Замечание: поток вектора напряжённости через поверхность не зависит от распределения заряда (расположения зарядов) внутри поверхности.

СФЕРА

Рассмотрим электрическое поле равномерно заряженной сферы (полого тела, не шара). Поток напряжённости через любую замкнутую поверхность внутри сферы равен нуля, так как внутри этой поверхности нет заряда. Отсюда следует, что внутри сферы напряжённость равна нулю. Внутри себя равномерно заряженная сфера поля не создаёт.

E=0 при r<R.

Из соображений симметрии ясно, что вне сферы линии напряжённости направлены по радиусам. Напряжённость одинакова (по модулю) на одинаковом расстоянии от центра сферы. Проведём сферическую поверхность радиусом r>R. Поток напряжённости через неё равен N=EnS=4πr2En. Пусть её заряд равен q. По теореме Гаусса: q

q

4πr2En=4πk—, тогда

Ε

|q|

Е=k—при r>R.

εr2

ШАР

Если заряд распределён в объёме тела, то можно для его описания можно использовать объёмную плотность заряда. Выделим в теле малый объём ΔV, пусть его заряд Δq. Тогда объёмная плотность заряда равна ρ=Δq/ΔV. Если заряд распределён равномерно, то ρ=q/V.

Рассмотрим электрическое поле равномерно заряженного шара. Напомним, что объём шара равен V=(4/3)πR3. Тогда его заряд q=(4/3)πR3ρ. Напряжённость поля вне шара можно найти так же, как и вне сферы:

|q| 4πR3ρ

Е=k— = k—— при r>R.

εr2 3εr2

Для нахождения напряжённости внутри шара применим теорему Гаусса для сферической поверхности радиусом r<R. По соображениям симметрии вектор напряжённости перпендикулярен ей и одинаков по модулю в любой её точке. По теореме Гаусса:

q 4πr3ρ

4πr2En=4πk— = 4πk———, тогда

ε 3ε

4π

E=k—ρr при r<R.

3ε

Напряжённость поля внутри шара линейно растёт с увеличением расстояния от его центра. Если мы рассматриваем действие поля шара на заряд, находящийся на расстоянии r от его центра, то шар можно мысленно разделить сферой радиусом r на две части. Действие поля равно действию поля внутренней части, а внешняя поля не создаёт (внутри себя заряженная сфера поля не создаёт). Вот ещё одно сходство взаимодействия зарядов с законом всемирного тяготения: ускорение свободного падения a=Fт/m внутри сферического однородного тела (например, Земли) также обратно пропорционально расстоянию до центра, как и напряжённость E=Fк/q.