2. Напряженность электрического поля точечного заряда. Принцип суперпозиции. Примеры расчета электрического поля распределенных зарядов.

Обозначим: q - заряд, создающий поле, q0 - заряд, помещенный в поле (внешний заряд). Закон Кулона: . Напряженность поля: . Тогда напряженность поля точечного заряда:

ринцип суперпозиции для напряженности электрического поля: напряженность поля, создаваемого системой зарядов, равна сумме напряженностей полей, создаваемых каждым зарядом в отдельности:

• Электрическое поле длинной, прямой равномерно заряженной нити

Напряженность электрического поля равна:

где τ - линейная плотность заряда,

 q - значение заряда, l -длина нити, ε - диэлектрическая постоянная, r - расстояние от нити до точки , в которой определяется напряженность

• Электрическое поле на оси равномерно заряженного кольца

При решении задачи воспользуемся принципом суперпозиции. Для этого разобьём кольцо на элементы – точечные заряды q, каждый из которых создает в точке А напряженность

.

Вследствие симметрии задачи вклад в общую напряженность дадут лишь вертикальные составляющие Е (сравните со случаем задачи 6.1). Поэтому напряженность в точке А будет определятся только суммой Е по всем элементам кольца:

• Электрическое поле на оси равномерно заряженного диска

для напряженности поля такого кольца dE(x) можно записать (см. задачу 6.3):

, 

где dq =dS = 2rdr. Выражение для напряженности поля диска получается интегрированием dE по всем значениям r от 0 до R:

.

• Электрическое поле равномерно заряженной полусферы

3. Применение теоремы Гаусса для расчета электрического поля заряженных тел.

• Электрическое поле равномерно заряженной тонкой плоскости

Рассмотрим поле, создаваемое бесконечной однородно заряженной плоскостью с везде одинаковой поверхностной плотностью заряда . Представим себе мысленно цилиндр с образующими, перпендикулярными к заряженной плоскости, и основаниями (площадью каждое), расположенными относительно плоскости симметрично (см. рисунок).

В силу симметрии:

Все векторы напряжённости поля (в том числе и ) — перпендикулярны заряженной плоскости: действительно, в силу вращательной симметрии задачи, вектор напряжённости при любом повороте относительно оси, перпендикулярной плоскости, должен переходить в себя, а это возможно для ненулевого вектора только если он перпендикулярен плоскости. Из этого следует (кроме прочего), что поток напряжённости поля через боковую поверхность цилиндра равен нулю (так как поле направлено везде по касательной к этой поверхности).

.

Поток вектора напряжённости равен (в силу (1)) потоку только через основания цилиндра, а он, в силу того, что и перпендикулярны этим основаниям и в силу (2), равен просто .

Применив теорему Гаусса, и учитывая , получим (в системе СИ):

из чего

• Электрическое поле равномерно заряженного цилиндра

Предположим, что полая цилиндрическая поверхность радиуса R заряжена с постоянной линейной плотностью .

Проведем коаксиальную цилиндрическую поверхность радиуса Поток вектора напряженности через эту поверхность

По теореме Гаусса

Из последних двух выражений определяем напряженность поля, создаваемого равномерно заряженной нитью:

• Электрическое поле равномерно заряженного шара

Пусть имеем шар радиуса R, равномерно заряженный с объемнойплотностью .

В любой точке А, лежащей вне шара на расстоянии r от его центра (r>R), его поле аналогично полю точечного заряда , расположенного в центре шара. Тогда вне шара

(13.10)

а на его поверхности (r=R)

(13.11)

В точке В, лежащей внутри шара на расстояний r от его центра (r>R), поле определяется лишь зарядом , заключенным внутри сферы радиусом r. Поток вектора напряженности через эту сферу равен

с другой стороны, в соответствии с теоремой Гаусса

Из сопоставления последних выражений следует

(13.12)

где- диэлектрическая проницаемость внутри шара. Зависимость напряженности поля, создаваемого заряженной сферой, от расстояния до центра шара приведена на (рис.13.10)

• Электрическое поле равномерно заряженного диэлектрического слоя

Как видно из рисунка 13.13, напряженность поля между двумя бесконечными параллельными плоскостями, имеющими поверхностные плотности зарядов и , равны сумме напряженностей полей, создаваемых пластинами, т.е.

Таким образом,

(13.15)

Вне пластины векторы от каждой из них направлены в противоположные стороны и взаимно уничтожаются. Поэтому напряженность поля в пространстве, окружающем пластины, будет равна нулю Е=0.