Линии напряжённости

Для наглядного изображения электрического поля пользуются линиями напряжённости или силовыми линиями. Линией напряжённости называют такую линию, в каждой точке которой вектор напряжённости электрического поля направлен по касательной к ней. Направление этих линий совпадает с направлением поля. Условились эти линии проводить так, чтобы число линий, отнесённых к единице площади площадки, расположенной перпендикулярно к ним, равнялось

Р

ис. 1

бы модулю напряжённости поля в месте расположения площадки. При таком способе построения по густоте линий напряжённости можно судить о модуле напряжённости электрического поля в различных точках поля. Там, где линии расположены гуще, модуль напряжённости поля больше. Следует отметить, что линии напряжённости никогда не пересекаются, поскольку их пересечение означало бы отсутствие определённого направления вектора в точках их пересечения. Картина линий напряжённости для неоднородного электростатического поля приведена на рис. 1. Из этого рисунка видноE₃ < E₂ < E₁. Об этом судят по густоте линий. Условились считать, что линии напряжённости начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных.

Поток напряжённости электрического поля.

1. Потоком напряжённости электрического поля через какую-либо поверхность называют число линий напряженности , пронизывающих её. Пусть площадкаS находится в однородном электростатическом поле. При этом она перпендикулярна к линиям напряженности. Поскольку через единицу площади проходит число линий напряжённости, равное Е, то элементарный поток через эту площадку равен Ф_E = ES.

Рассмотрим теперь случай, когда в однородном электростатическом поле находится плоская площадка, нормаль к площадке составляет уголс направлением поля, т.е. с вектором напряжённости (рис. 2). Число линий напряжённости, проходящих через площадкуS и её проекцию S_пр на плоскость, перпендикулярную к этим линиям, одинаково. Следовательно, поток напряжённости электрического поля через них одинаков. Используя выражение предыдущую формулу, находим, чтоНоS_пр = S cos. Поэтому

Ф_Е = ES cos  = E_n S, (6)

где Ecos  = E_n  проекция вектора на направление нормалик площадке.







dS

Рис. 2 Рис. 3

Для вычисления потока Ф_Е напряжённости электрического поля через произвольную поверхность S, помещённую в неоднородное электрическое поле (рис. 3), надо мысленно разбить его на элементарные участки dS, чтобы площадку можно было бы считать плоской, а поле в её пределах однородным. Тогда, согласно (6), элементарный поток dФ_E = E_n dS, а поток напряжённости электрического поля через всю поверхность равен сумме этих потоков dФ_E, т.е.

(7)

поскольку суммирование бесконечно малых величин означает интегрирование.

Теорема гаусса для электростатического поля

Проведём вокруг точечного заряда сферу произвольного радиуса r с центром в точке расположения заряда (рис. 3). Найдём поток напряжённости электростатического поля через эту поверхность. В данном случае направления векторов ив любой точке поверхности совпадают. ПоэтомуE_n = Ecos 0 = E. Модуль напряжённости во всех точках на поверхности сферы одинаков и равен C учётом этого из (6) получаем:

Р

О

r

ис. 3

(8)

где значок _ на интеграле означает, что интегрирование производится по замкнутой поверхности. E вынесена за знак интеграла, поскольку она не зависит от S. Суммирование же всех площадей элементарных площадок даёт площадь S сферы, т.е. Соотношение (8) справедливо не только для сферы, но и для любой замкнутой поверхности, поскольку число линий напряжённости, пронизывающих её и сферу, одинаково. Если имеется система точечных зарядов, то очевидно, что полный потокФ_Е напряжённости электрического поля через замкнутую поверхность в силу принципа суперпозиции полей равен сумме потоков Ф_Еi, создаваемых каждым зарядом q_i в отдельности, т.е. =. Но, как следует из (8),Ф_Ei = q_i / (_). Поэтому

(9)

поскольку _ и  постоянные величины их вынесли за знак суммы. Таким образом, получен общий результат, названный теоремой Гаусса: поток напряжённости электростатического поля через любую замкнутую поверхность равен алгебраической сумме зарядов, заключённых внутри неё, делённой на электрическую постоянную и диэлектрическую проницаемость среды.

Заряды в пространстве могут распределяться не только дискретно, но и непрерывно. В этом случае вводится понятие о плотности зарядов. При непрерывном распределении зарядов по объёму вводят объёмную плотность заряда. Пусть заряд q равномерно распределён по объёму V. Тогда объёмной плотностью заряда  называется отношение  = q/V. Если же распределение заряда неравномерное, то надо выделить на поверхности элементарный участок dV, в пределах которого заряд dq, находящийся на нём, можно считать равномерно распределённым. Объёмная плотность заряда  находится по формуле:

(10)

т.е. объёмная плотность зарядов равна заряду, приходящемуся на единицу объёма. Используя (6.8), по аналогии с (6.7) можно найти заряд, расположенный в некотором объёме V:

(11)

Здесь интегрирование производится по всему объёму V, по которому распределён заряд. Тогда при непрерывном распределении заряда на некоторому объёму

(12)