Реферат / 28. Линии напряжённости электростатического поля. Поток вектора напряжённости. Теорема Отсроградского-Гаусса
.docГрафически электростатическое поле изображают с помощью линий напряженности — линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора Е (рис. 119). Линиям напряженности приписывается направление, совпадающее с направлением вектора напряженности. Так как в каждой данной точке пространства вектор напряженности имеет лишь одно направление, то линии напряженности никогда не пересекаются. Для однородного поля (когда вектор напряженности в любой точке постоянен по величине и направлению) линии напряженности параллельны вектору напряженности. Если поле создается точечным зарядом, то линии напряженности — радиальные прямые, выходящие из заряда, если он положителен (рис. 120, а), и входящие в него, если заряд отрицателен (рис. 120, б). Вследствие большой наглядности графический способ представления электростатического поля широко применяется в электротехнике.
Чтобы с помощью линий напряженности можно было характеризовать не только направление, но и значение напряженности электростатического поля, условились проводить их с определенной густотой (см. рис. 119): число линий напряженности, пронизывающих единицу площади поверхности, перпендикулярную линиям напряженности, должно быть равно модулю вектора Е. Тогда число линий напряженности, пронизывающих элементарную площадку dS, нормаль n которой образует угол с вектором Е, равно Е dS cos = EndS, где Еп—проекция вектора Е на нормаль n к площадке dS (рис. 121).Величина
называется потоком вектора напряженности через площадку dS. Здесь dS = dSn — вектор, модуль которого равен dS, а направление совпадает с направлением нормали n к площадке. Выбор направления вектора n (а следовательно, и dS) условен, так как его можно направить в любую сторону. Единица потока вектора напряженности электростатического поля — 1 Вм.
Для произвольной замкнутой поверхности S поток вектора Е сквозь эту поверхность
(79.3)
где интеграл берется по замкнутой поверхности S. Поток вектора Е является алгебраической величиной: зависит не только от конфигурации поля Е, но и от выбора направления n. Для замкнутых поверхностей за положительное направление нормали принимается внешняя нормаль, т. е. нормаль, направленная наружу области, охватываемой поверхностью.
Теорема Остроградского-Гаусса.
1) поле создано изолированным положительным точечным зарядом q и что поверхностью является сфера радиуса r, в центре которой расположен точечный заряд (Риc. 6). Чему равен поток Ф через такую поверхность?
в каждой точке поверхности
`E = (1/4pe0)(q/r3)`r, а поверхность сферы S=4pr2, тогда
Ф = E×4pr2= (q/4pe0 r2) 4pr2=q/e0.
поток не зависит от размеров сферы.
2).поток не зависит и от формы поверхности,окружающей заряд q. Проведем две концентрические сферы разных радиусов. Мы увидим, что число линий напряженности электрического поля, пронизывающих сферы, одинаково. Между этими сферами линии вектора напряженности `Е идут непрерывно, нигде не заканчиваясь и не начинаясь вновь. Поэтому, если мы проведем между этими сферами замкнутую поверхность S1 произвольной формы, тоже охватывающую заряд q, то поток вектора напряженности через эту поверхность также будет равен q/e0.
линии напряженности электрического поля начинаются и заканчиваются только на электрических зарядах. Если замкнутая поверхность не охватывает заряда, то поток вектора электрического поля через эту поверхность равен нулю, т.к. число силовых линий, входящих в поверхность, равно числу выходящих из неё.
3). Пусть поле создается не одним точечным зарядом, а произвольной системой точечных зарядов q1, q2, q3…qn. По принципу суперпозиции напряжённость результирующего электростатического поля равна векторной сумме напряжённостей электростатических полей, создаваемых каждым из зарядов в отдельности :
E = `E1+`E2 +`E3 +…+`En = S`Ei.
поэтому проекция вектора `Е на направление нормали к площади dS равна алгебраической сумме проекций всех векторов `Еi на это направление
Поток напряженности результирующего поля сквозь произвольную замкнутую поверхность S, охватывающую заряды q1, q2, …qk , и не охватывающую заряды qk+1…qm, равен , но Фi=0, если i>k поэтому ,т.е.поток вектора напряженности электростатического поля в вакууме сквозь произвольную замкнутую поверхность равен отношению алгебраической суммы зарядов, охватываемых этой поверхностью, к электрической постоянной. Это и есть теорема Оетроградского -Гаусса применительно к электростатическому полю в вакууме. Теорема Остроградского-Гаусса выведена нами как прямое следствие из закона Кулона. Она позволяет сравнительно просто рассчитывать электрические поля при симметричных распределениях зарядов и окружающих их диэлектриков.