L01-EM
.pdf
18.03.2012
21Поле бесконечного заряженного цилиндра
E(r) 2 rh h
0
• где λ – линейная плотность заряда. Тогда
E(r) |
1 |
|
r R |
(2.20) |
|
2 0 |
r |
||||
|
|
|
•Если r < R, рассматриваемая замкнутая поверхность
не содержит внутри зарядов, вследствие чего E(r) = 0.
•Таким образом, внутри заряженной цилиндрической поверхности бесконечной длины поле отсутствует
22Поле заряженной сферической поверхности радиуса R
•Для всех точек сферы радиуса r справедливо
равенство En = E(r). Если r > R, внутрь поверхности
попадает весь заряд q, создающий рассматриваемое поле. Тогда
E(r) 4 r2 q
0
E(r) |
1 q |
(r R) |
(2.21) |
|||
|
|
|
||||
4 0 r2 |
||||||
|
|
|
||||
•Сферическая поверхность радиуса r < R не будет
содержать зарядов, вследствие чего E(r) = 0
11
18.03.2012
23Поле объемно заряженной сферы радиуса R
• Сферическая поверхность радиуса r (r < R) заключает
в себе заряд, равный 4
3 r3
E(r) 4 r2 1 4 r3
0 3
•Таким образом, внутри сферы напряженность поля
растет линейно с расстоянием r от центра сферы.
Вне сферы напряженность убывает по такому же закону, как и у поля точечного заряда
24Работа сил электростатического поля
dA fdl cos
|
1 |
qq ' |
dl cos |
|
4 0 |
r2 |
|||
|
|
|||
|
1 |
qq ' |
dr |
|
4 0 |
r2 |
|||
|
|
• мы учли, что
dl cos dr
12
18.03.2012
25Работа сил электростатического поля
• Отсюда для работы на пути 1–2 получаем
|
qq ' |
r2 |
dr |
|
1 |
|
qq ' |
|
qq ' |
|
|||
A12 |
|
|
r2 |
|
|
|
|
r |
|
r |
|
(2.23) |
|
4 |
0 |
4 |
0 |
||||||||||
|
|
r |
|
|
|
|
1 |
|
2 |
|
|
||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
•Следовательно, силы, действующие на заряд q' в
поле неподвижного заряда q, являются
потенциальными.
q ' El dl
•где El – проекция вектора Е на направление
элементарного перемещения dl
26Работа сил электростатического поля
|
El dl 0 |
(2.24) |
|
•Интеграл вида (2.24) называется циркуляцией по контуру.
•Таким образом, для электростатического поля является характерным то, что циркуляция вектора напряженности по любому замкнутому контуру равна нулю.
13
18.03.2012
27 Потенциал
• Работа (2.23) может быть представлена как разность значений потенциальной энергии, которыми обладал заряд q′ в точках 1 и 2 поля заряда q:
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
A12 |
qq ' |
qq ' |
|
Wp1 |
Wp2 |
|||
4 0 |
||||||||
|
|
r1 |
r2 |
|
|
|
||
• Отсюда для потенциальной энергии заряда q′ в поле заряда q получаем
W |
p |
|
1 |
qq ' |
const |
|
4 0 |
r |
|||||
|
|
|
28 Потенциал
W |
p |
|
1 |
qq ' |
(2.25) |
|
4 0 |
r |
|||||
|
|
|
• Для разных пробных значений q′ отношение Wp/qпр будет постоянным
|
Wp |
(2.26) |
|
q |
|||
|
|
||
|
пр |
|
• ведичина φ ─ называется потенциалом поля в данной точке и используется, наряду с напряженностью поля, для описания электрических полей
14
18.03.2012
29 Потенциал
• Из (2.25) и (2.26) получаем
|
1 |
q |
(2.27) |
|
4 0 |
r |
|||
|
|
• Работа, совершаемая силами поля нескольких зарядов над зарядом q′, будет равна
A12 Ai |
|
|
|
|
|
||
• С учетом (2.23) получаем |
|
|
|||||
1 |
|
qq ' |
|
1 |
|
qq ' |
|
A12 |
|
|
r |
|
|
|
r |
4 |
0 |
4 |
0 |
||||
|
|
i1 |
|
|
i2 |
||
30 Потенциал
• Для потенциальной энергии заряда q′ в поле системы зарядов получаем выражение
|
|
1 |
|
|
|
qq ' |
|
Wp |
|
|
|
r |
|||
4 |
0 |
||||||
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
1 |
|
|
|
q |
|
|
|
|
|
r |
(2.28) |
||
4 |
0 |
|
|||||
|
|
|
|
|
i |
|
|
• Потенциал поля, создаваемого системой зарядов, равен алгебраической сумме потенциалов, создаваемых каждым из зарядов в отдельности
15
18.03.2012
31 |
Потенциал |
|
|
|
|
|
|
|
• |
Из (2.26) вытекает, что |
|
|
|
Wp q |
(2.29) |
|
|
A12 Wp1 Wp 2 q 1 2 |
(2.30) |
|
|
A q |
(2.31) |
• Потенциал численно равен работе, которую совершают силы поля над единичным положительным зарядом при удалении его из данной точки поля на бесконечность
32Связь между напряженностью электрического поля и потенциалом
•Работа сил поля над зарядом q на отрезке пути dl может быть представлена, с одной
стороны , как qEldl, с другой же стороны – как убыль потенциальной энергии заряда:
d (q ) q l dl qEl dl q l dl
El |
|
(2.32) |
|
|
|||
l |
|||
|
|
16
18.03.2012
33 Связь между напряженностью
электрического поля и потенциалом |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ex |
|
, Ey |
|
, Ez |
|
|
|
, |
(2.33) |
|
||||||
|
y |
z |
|
|||||||||||||
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
E iEx jEy kEz i |
|
|
j |
|
|
|
k |
|
|
|
|
|||||
|
x |
|
y |
|
z |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
E grad |
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.34) |
|
|
|
||||
• Направление градиента совпадает с направлением n, в котором при смещении из данной точки φ, возрастая по величине, изменяется с наибольшей скоростью
34 Связь между напряженностью электрического поля и потенциалом
|
|
|
1 |
|
q |
|
|
|
|
|
|
|
4 0 |
r |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
n r |
|
(2.35) |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
r |
|
|
|
|
|
|
|
|
• Проекция gradφ на |
|
|
|
|||||||
|
направление r равна |
|
q |
|
|||||||
|
|
|
|||||||||
grad |
|
|
|
|
|
1 |
|
(2.36) |
|||
r |
|
r |
4 0 |
|
r2 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
17
18.03.2012
35Связь между напряженностью электрического поля и потенциалом
•Модуль градиента, очевидно, равен модулю выражения (2.36). Поэтому, с учетом (2.35), можно написать
grad |
1 q r |
(2.37) |
||||
|
|
|
|
|||
4 0 r2 r |
||||||
|
|
|||||
•Работа, совершаемая силами поля над зарядом q при перемещении его из точки 1 в точку 2, может быть вычислена как
A12 2 qEl dl
1
36Связь между напряженностью электрического поля и потенциалом
A12 q 1 2 |
|
|
1 2 2 |
El dl |
(2.38) |
1 |
|
|
•Интеграл в правой части можно брать по любой линии, соединяющей точки 1 и 2, ибо работа сил поля не зависит от пути
18
18.03.2012
37Эквипотенциальные поверхности
x, y, z const
•Из рис. 24 видно, что при смещении вдоль касательной к
поверхности τ на величину dτ
потенциал не изменится, так
что φ/ τ = 0. Но φ/ τ равна
проекции вектора E на направление τ. Следовательно, нап-
равление нормали к эквипотен-
циальной поверхности будет
совпадать с направлением вектора напряженности Е в той же точке.
38Эквипотенциальные поверхности
•Поверхности проводятся таким образом, чтобы
разность потенциалов двух соседних поверхностей была всюду одна и та же. Тогда по густоте эквипотенциальных поверхностей можно судить о величине напряженности поля.
19
18.03.2012
39 Электрическое поле в диэлектриках.
Полярные и неполярные молекулы
• Радиус-вектор центра тяжести положительных
зарядов вычисляется по формуле
|
|
qi ri |
|
|
qi ri |
|
||
r |
|
|
qi |
|
|
|
|
(2.39) |
|
|
q |
||||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
qj rj |
|
qj rj |
(2.40) |
|||
r |
qj |
q |
||||||
|
|
|
|
|
|
|||
• где rj– – радиус-вектор усредненного по времени
положения j-го отрицательного заряда
40Электрическое поле в диэлектриках.
Полярные и неполярные молекулы
•Полярная молекула обладает собственным электрическим моментом р, для которого получается следующее выражение
(рис. 27)
p ql q r r qi ri qj rj |
|
p qkrk |
(2.41) |
20
