Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

МЭИ(ТУ) Физика

.pdf
Скачиваний:
1236
Добавлен:
31.03.2015
Размер:
40 Мб
Скачать
☆

Рис. 1.12.

Рис. 1.11.

ны).

Если шарик рассматривать как точечный заряд, то куло- новская сила F, с которой поле действует на него, F = Eq, где Е

–напряженность поля, создаваемого заряженной плоскостью в точке, где находится шарик.

Благодаря действию электрического поля шарик нахо- дится в равновесии при условии, что нить отклонена от вер- тикали на заданный угол α. Помимо электрического поля на шарик действует поле тяжести с силой mg и нить с силой натяжения Т. Силы показаны на рис. 1.11 (рисунок сделан в предположении, что заряды шарика и пластины одноимен-

Условие равновесия:

F + mg + T = 0.

В проекциях на координатные оси, показанные на рис. 1.11:

F – T sin α = 0; mg – T cos α = 0.

Совместное решение двух уравнений относительно неизвестного дает

F = Eq = mg tg α. (27)

Так как искомой величиной является q, то задача сводится к нахождению напря- женности E поля, создаваемого большой равномерно заряженной плоскостью. Рассмат- риваемое поле обладает симметрией: можно предполагать, что силовые линии вблизи пластины и достаточно далеко от ее краев располагаются перпендикулярно к пластине.

Установленная симметрия позволяет для нахождения напряженности использовать теорему Остроградского-Гаусса.

В качестве гауссовой поверхности удобно выбрать поверхность прямого цилиндра, образующая которого перпендикулярна рассматриваемой плоскости, а площадь осно- ваний цилиндра мала по сравнению с площадью пластины (рис. 1.12).

Заряд, охваченный этой вспомогательной поверхностью,

åQi = σS .

(28)

Поток вектора напряженности через замкнутую поверхность цилиндра следует раз- бить на три потока: через каждое из оснований цилиндра и через боковую поверхность

S3.

Во всех точках боковой поверхности EdS = EdS cos π2 , поэтому третий интеграл,

стоящий в правой части равенства, обращается в нуль. Первые два интеграла вследст- вие одинакового расположения по отношению к пластине и равенства поверхностей S1 и S2 можно объединить, причем во всех точках этих поверхностей EdS = EdS cos 0 = 0. Следовательно,

òEdS = 2

òEdS = 2ES1 .

(29)

(S )

(S1 )

 

Последнее равенство справедливо, потому что E = |E| одинаково во всех точках по- верхностей S1 и S2 (обе поверхности малы по сравнению с заряженной пластиной и равноудалены от нее).

Подставляя (28) и (29) в теорему Остроградского-Гаусса, получим:

2ES 1 =

1

σS1 ,

 

 

ε0

откуда

E = 2σε0 .

Используя полученное выражение для E, из формулы (27) находим искомый заряд:

q = 2ε0 mgtgα = 4,3 ×10−9 Кл .

σ

Задача 1.8. В вакууме образовалось электронное облако в форме длинного тонкого цилиндра радиуса R = 2 см. Объемная плотность заряда ρ = – 6 · 10-7 Кл/м3 и постоянна по объему.

1)Найти напряженность поля в точках, находящихся на расстояниях r1 = 6 см и r2 = 10 см от оси цилиндра, и разность потенциалов между этими точками.

2)Построить графики E(r) и φ(r), считая: а) φ = 0 при r = 0; б) φ = 0 при r = R.

Р е ш е н и е . Рассмотрим поле, созданное зарядом, равномерно распределенным по объему. Симметричная форма электронного облака позволяет предположить, что как внутри облака, так и вне его, поле обладает плоскоради- альной (осевой) симметрией. Очевидно, это будет спра- ведливо для точек, расстояние которых (r1 или r2) до оси облака мало по сравнению с расстоянием до торцов ци- линдрического облака. Симметрия позволяет для расчета

Рис. 1.13.

напряженности поля применить теорему Остроградского-Гаусса.

Вспомогательные гауссовы поверхности удобно выбрать в виде цилиндрических поверхностей, коаксиальных с рассматриваемым заряженным цилиндром (рис. 1.13). Высота этих поверхностей, естественно, много меньше высоты рассматриваемого ци- линдрического электронного облака. Поскольку по условию задачи требуется опреде- лить напряженность поля в двух точках – внутри электронного облака и вне его, на рис. 1.13 проведены (пунктиром) две поверхности: S1 радиуса r1 и S2 радиуса r2. На рис. 1.13 показано расположение силовых линий (только вне облака) в сечении, нормальном к оси электронного облака.

Сумма зарядов, охваченных поверхностью S1:

åQi = ρπr12 h .

(30)

(S1 )

 

Сумма зарядов, охваченных поверхностью S2:

 

åQi = ρπR2h .

(31)

(S2 )

 

Следует отметить, что величина суммарного заряда, охваченного поверхностью S1, проведенной внутри электронного облака, зависит от радиуса этой поверхности.

Поток вектора напряженности через вспомогательные поверхности S1 и S2 следует разбить на три потока: через две торцевые поверхности и через боковую поверхность. Как видно из рис. 1.13, потоки через торцевые поверхности равны нулю. Следователь- но, как для поверхности S1 так и для поверхности S2,

òEdS =

òEdS ,

(S )

(Sб )

где Sб – боковая поверхность гауссова цилиндра S1 или S2. Во всех точках этих боковых поверхностей векторы E и dS образуют углы, равные π, следовательно,

òEdS =

òErdS cos(EdS)= Er 2πrhcos(EdS).

(S )

(Sб )

Последнее равенство справедливо потому, что вследствие симметрии Er = const во всех точках боковой поверхности, a Sб = 2πrh (r – радиус гауссовой поверхности, h – ее высота).

Таким образом, для поверхности S1:

òEdS =

òEdS cos(EdS)= −Er 2πr1h ,

(32)

(S1 )

(S1 )

 

для поверхности S2:

òEdS =

òEdS cos(EdS)= -Er 2πr2h .

(33)

(S2 )

(S2 )

 

Подставляя (30) в (31) и, соответственно, (32) и (33) в формулу теоремы Остро-

градского-Гаусса, получим:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ

 

πr2h

 

 

 

 

ρ

 

πRh

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

2πrh = -

 

 

 

 

1

; E

2πr h = -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

1

 

 

 

ε0

r

2

 

 

 

ε0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(объемная плотность заряда ρ берется по абсолютной величине, так как в формулах (32) и (33) учитывается направление Е).

Отсюда в точке на расстоянии r1

Er = - ρ r1 = -3,5 ×102 В м ; 2ε0

в точке на расстоянии r2

Er = - ρ R 2 = -4,8 ×102 В м . 2ε0r2

(Отрицательное значение E является следствием того, что φρ < 0).

Очевидно, что первое выражение справедливо для всех точек, находящихся внутри

электронного облака, то есть при r ≤ R:

 

 

 

 

 

 

 

Er = -

 

ρ

 

r

и E = -

 

 

ρ

 

r

.

(34)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2ε0

2ε0

 

Соответственно, второе выражение справедливо для всех точек вне электронного

облака, то есть при r ≥ R:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Er = -

 

ρ

 

R 2

и E = -

 

ρ

 

R 2

.

(35)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2ε0r

 

2ε

0r

 

 

 

 

 

 

Если ввести линейную плотность заряда (отношение суммарного заряда облака к его длине) τ = Ql = ρπR 2 , выражение примет вид

E = - 2πετ 0r .

Выражения (34) и (35), представляющие собой функциональные зависимости Er(r), позволяют найти разность потенциалов между данными точками по формуле:

ϕ1 -ϕ2 = ò2 Edr = ò2 Er dr cos(Edr),

1 1

Поскольку внутри и вне облака характер зависимости E(r) различен, интеграл сле- дует разбить на два, с пределами интегрирования от r1 до R (справедлива формула (34)) и от R до r2 (справедлива формула (35)):

ϕ1 -ϕ2 =

 

ρ

 

 

R rdr cos(Edr)+

 

 

ρ

 

R 2 r2

dr

cos(EdS).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2ε0

 

 

2ε0 Rò

 

 

òr

 

r

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

Произведя интегрирование и подставив пределы, получим:

ϕ

 

-ϕ

 

=

 

ρ

 

 

é1

(R 2

- r2 )+ R 2

ln

r2

ù

= -11В ,

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

ê

 

 

ú

 

 

 

2ε

2

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

0 ë

 

 

 

R û

 

то есть φ1 < φ2.

Графики Er(r), построенные на основании выражений (34)

Рис. 1.14.

и (35), показаны на рис. 1.14.

Для построения графика φ(r) найдем функциональную за-

висимость потенциала от расстояния по интегральной формуле ϕ1 -ϕ2 = ò2 Edr , в кото-

1

рой верхним пределом интегрирования является точка нулевого потенциала (r = R):

2

R

 

ϕ1 -ϕ2 = òEdr = òEr dr

(36)

1

r

 

Поскольку зависимость Er(r) различна внутри (r ≤ R) и вне и вид зависимости φ(r) будет различным для этих областей.

При r ≤ R, подставив в (36) выражение

(35) для Er, найдем:

ϕ(r)= ρ

òrdr =

 

ρ

 

 

(R 2 - r2 ).

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2ε0

r

4ε

0

 

Так как r ≤ R и ρ < 0, то для любой точки в этой области φ < 0. При r > R, подставив в (36) выражение (35) для Er, найдем:

(r ≥ R) облака, очевидно,

(37)

ϕ(r)=

 

 

ρ

 

R

2

R

dr

 

 

 

ρ

 

R

2

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ò

=

 

 

 

 

ln

.

(38)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2ε0

 

 

 

 

2ε0

 

 

 

 

 

 

r

r

 

 

 

 

 

r

 

Так как r < R и ρ < 0, то для любой точки в этой области φ < 0.

Легко видеть, что при r = R оба выражения (37) и (38) обращаются в нуль (выбранная точка нулевого потенциала).

График φ(r), построенный на основании выражений (37) и (38), показан на рис. 1.15.

Рис. 1.15.

Рис. 1.16.

При выборе начала отсчета потенциала на оси облака (r = 0) аналитические выражения функции φ(r) изменяются, однако характер зависимо- сти останется прежним. Поэтому график для этого случая может быть получен путем переноса оси абсцисс, как это показано на рис. 1.14 (ось r').

Построенный график φ(r) согласуется с графиком Er(r). При любых значениях r E r = − ∂∂ϕr и потенциал φ является монотонно возрастающей функцией. Точка r = R, в

которой изменяется характер зависимости Er(r), является точкой перегиба на графике φ(r). При r < R (внутри облака) |Er| = E возрастает, на этом участке кривая φ(r) с ростом r идет все более круто. Вне облака |Er| = E убывает, на этом участке кривая φ(r) с рос- том r идет все более полого. Таким образом, график φ(r) можно было построить на ос- новании построенного ранее графика Er(r), не находя аналитических выражений для

φ(r).

Задача 1.9. Тонкий стержень длины l = 8 см равномерно заряжен зарядом Q = = 5 · 10-9 Кл.

Найти напряженность и потенциал в точке, находящейся на продолжении стержня на расстоянии a = 12 см от его середины.

Р е ш е н и е . Рассматривается поле, созданное зарядом, равномерно распределен- ным по телу заданного размера и конфигураций. Последние таковы, что поле не обла- дает симметрией для применения теоремы Гаусса (429), следовательно, напряженность поля, так же как и потенциал, рассчитываются методом суперпозиции.

При использовании принципа суперпозиции целесообразно сначала рассчитывать потенциал.

Стержень (рис. 1.16) разбиваем на элемен- тарные отрезки dx с зарядом dQ. Потенциал поля, созданный некоторым элементом dx с за- рядом dQ в точке C, равен

dϕ = dQ , 4πε0r

где r – расстояние от данного элемента до точки C.

Согласно принципу суперпозиции результирующий потенциал точки C может быть

рассчитан по формуле ϕ = òdϕ . Для расчета следует выбрать систему координат. По-

(Q )

скольку все элементарные заряды dQ и точка C лежат на одной прямой, достаточно од- ной оси x, показанной на рис. 1.16, с началом отсчета O, например, в середине стержня. Положение элемента dQ определяется теперь его абсциссой x и, как видно из рисунка,

r = a – x.

Нетрудно видеть, что это выражение справедливо и для элементов, лежащих в от- рицательной области. Потенциал в точке C равен

ϕ = ò

 

dQ

 

 

 

 

.

(39)

4πε

0

(a − x )

(Q )

 

 

 

 

Так как под интегралом две переменные dQ и x, то заряд следует выразить через переменную x:

dQ = Ql dx .

Поскольку заряд распределен по стержню равномерно, отношение Ql = τ есть ли-

нейная плотность заряда.

При интегрировании по всему стержню переменная x изменяется от − 2l до + 2l .

Следовательно,

 

 

Q

l 2 dx

 

Q l 2 d(a − x )

 

Q

 

a +

l

 

 

ϕC

=

= −

=

ln

2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4πε0l

−òl 2 a − x

4πε0l −òl 2 a − x

4πε0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

a −

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подстановка числовых значений дает:

φC = 310 В.

В выражении (39) a – расстояние от начала координат до рассматриваемой точки, т. е. координата этой точки. Очевидно, это выражение справедливо для любых значе- ний a < l/2 (под знаком логарифма не может стоять отрицательное число). Следова- тельно, выражение для потенциала любой точки, лежащей на оси x на продолжении стержня, может быть записано так:

ϕ =

Q

ln

x + l 2

(|x| > l/2).

4πε0l

x − l 2

 

 

 

Это выражение позволяет найти напряженность поля, используя дифференциаль- ную связь между напряженностью и потенциалом (26):

E x

 

Q d[ln(x + l 2)- ln(x - l 2)]

 

Q

é

1

 

1

ù

= -

 

 

 

 

=

 

 

ê

 

-

 

ú .

4πε0l

 

dx

4πε

 

 

x + l 2

 

 

 

 

0l ëx - l 2

 

û

Для точки x = a = 12 см

Ex = 2,8 · 103 В/м.

В точке C (рис. 1.6) вектор E направлен по оси x. Следовательно, искомая величина

E = Ex.

II. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ В СРЕДЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕОРЕМЫ ОСТРОГРАДСКОГО-ГАУССА

В проводниках при внесении их в электрическое поле происходит перераспределе- ние зарядов, приводящее к тому, что внутри проводника поле отсутствует (E = 0), а по- тенциалы всех точек проводника равны.

На границе диэлектриков, находящихся в электрическом поле, возникают связан- ные заряды, поле которых ослабляет поле свободных зарядов. Это приводит к тому, что напряженность результирующего поля в диэлектрике E = Eсвоб + Eсвяз меньше, чем на- пряженность электрического поля, образованного теми же свободными зарядами в ва- кууме.

Поток вектора напряженности через произвольную поверхность

N = òEdS ,

(40)

(S )

 

где вектор dS направлен по нормали к элементарной площадке dS.

Если конфигурация зарядов, создающих электрическое поле, обладает симметрией, то и созданное ими поле оказывается достаточно симметричным. Для нахождения на- пряженности поля может быть использована обобщенная теорема Остроградского- Гаусса:

òDdS = åQi ,

(41)

(S )

 

где D – вектор электрического смещения, åQi – алгебраическая сумма свободных за-

рядов, охваченных поверхностью интегрирования. Интеграл в левой части (41) означа- ет поток вектора смещения через замкнутую поверхность S: вектор dS направлен по внешней нормали к площадке dS.

По найденным с помощью теоремы (41) выражениям для вектора D можно найти

напряженность поля из формулы

D = εε0E; D = εε0E,

(42)

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды. Следующие виды сим- метрии позволяют рассчитывать напряженность поля с помощью теоремы Остроград- ского-Гаусса:

1)Заряженное тело имеет форму шара или сферического слоя (предельный част- ный случай – точечный заряд). Заряды либо распределены равномерно по поверхности, либо распределены по объему так, что объемная плотность заряда ρ постоянна или яв- ляется функцией только расстояния от центра сферы (центра симметрии). К такому же виду симметрии относится и система концентрических сферических заряженных слоев.

Вэтом случае силовые линии поля радиальны. Поверхности интегрирования (гауссовы поверхности) следует брать в виде сфер, концентричных с заряженными телами.

2)Заряженное тело имеет форму цилиндра или цилиндрического слоя (предельный случай – заряженная нить), причем длина цилиндра много больше его радиуса. Заряды либо распределены равномерно по поверхности, либо распределены по объему так, что

объемная плотность заряда ρ постоянна или является функцией только расстояния от оси цилиндра (оси симметрии). К такому же виду симметрии относится и система коак- сиальных (соосных) заряженных цилиндрических слоев. В этом случае в точках, нахо- дящихся вблизи заряженного тела, но достаточно удаленных от его торцов, силовые линии радиальны. Гауссовы поверхности следует брать в виде цилиндрических по- верхностей, коаксиальных с заряженными телами. Высота гауссова цилиндра обяза- тельно должна быть много меньше длины заряженных тел, так как вблизи торцов поле неоднородно;

3)заряженное тело имеет форму плоского слоя (предельный случай – очень тонкая пластина), причем толщина слоя много меньше линейных размеров, ограничивающих его плоскости. Заряды либо распределены равномерно по поверхности, либо распреде- лены по объему так, что объемная плотность заряда ρ постоянна или является функци- ей только расстояния от середины слоя (плоскость симметрии). В этом случае в точках,

находящихся вблизи заряженного слоя и достаточно далеко от торцов слоя силовые линии – параллельные прямые – перпендикулярны слою. Гауссовы поверхности следу- ет брать в виде цилиндрических поверхностей, оси которых перпендикулярны заря- женному слою, а основания находятся на одинаковых расстояниях от плоскости сим- метрии, причем радиус этих оснований должен быть много меньше линейных размеров слоя.

Приведенными тремя видами симметрии практически ограничивается область применения теоремы Остроградского-Гаусса для расчета напряженности электростати- ческого поля. В некоторых случаях (например, система параллельных плоских заря- женных слоев) можно рассчитать напряженность поля, комбинируя теорему Гаусса