2.4 Напряженность поля точечного заряда. Электрическое поле диполя. Графическое представление электрических полей.

Напряженность поля точечного заряда в вакууме: , где - радиус-вектор, соединяющий данную точку поля с зарядом Q, или в скалярной форме . Направление вектора совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд. Если поле создается положительным зарядом, то вектор направлен вдоль радиус-вектора от заряда во внешнее пространство (отталкивание пробного положительного заряда ); если поле создается отрицательным зарядом, то вектор направлен к заряду (см. рис.) . Электрический диполь – система двух равных по модулю разноименных точечных зарядов (+Q,-Q), расстояние l между которыми значительно меньше расстояния до рассматриваемых точек поля. Плечо поля – вектор, направленный по оси диполя (оси, проходящей через оба заряда) от отрицательного заряда к положительному и равный расстоянию между ними. Электрический момент диполя – вектор, совпадающий по направлению с плечом диполя:

Графическое представление электрических полей:

2.5 Поток вектора напряженности электрического поля. Теорема Гаусса. Расчет электростатических полей с помощью теоремы Гаусса (электростатических полей сферы равномерно заряженной по поверхности или объему; цилиндра равномерно заряженного по поверхности или объему; нити равномерно заряженного по длине).

Поток вектора сквозь сферическую поверхность радиуса r: . Этот результат справедлив для замкнутой поверхности любой формы. Так, если окружить сферу (см. рис.) произвольной замкнутой поверхностью, то каждая линия напряженности, пронизывающая сферу, пройдет и сквозь эту поверхность.

Теорема Остроградского – Гаусса и ее применение к расчету электростатического поля.

Поток вектора напряженности электростатического поля в вакууме сквозь произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности зарядов, деленной на 0 – эл. постоянная (Ф/м).

Применение теоремы к полю равномерно заряженной сферической поверхности. Сферическая поверхность радиуса R с общим зарядом Q заряжена равномерно с поверхностной плотностью «σ». Благодаря равномерному распределению заряда по поверхности поле, создаваемое им, обладает сферической симметрией. Поэтому линии напряженности направлены радиально (рис. а). Построим мысленно сферу радиуса r, имеющую общий центр с заряженной сферой. Если r > R, то внутрь поверхности попадает весь заряд Q, создающий рассматриваемое поле, и по теореме Гаусса, , откуда . При r > R поле убывает с расстоянием r по такому же закону, как и у точечного заряда. График зависимости E от r приведен на рис. Б. Если r < R, то замкнутая поверхность не содержит внутри равномерно заряженной сферической поверхности E = 0.

Применение теоремы Гаусса к полю равномерно заряженного бесконечного цилиндра (нити). Бесконечный цилиндр радиуса R заряжен равномерно с линейной плотностью τ ( - заряд, приходящийся на единицу длины). Из соображений симметрии следует, что линии напряженности будут направлены по радиусам круговых сечений цилиндра с одинаковой густотой во все стороны относительно оси цилиндра. В качестве замкнутой поверхности мысленно построим коаксиальный с заряженным цилиндр радиуса r и высотой l. Поток вектора сквозь торцы цилиндра равен нулю (торцы параллельны линиям напряженности), а сквозь боковую поверхность - 2πr/E. По теореме Гаусса, при r > R, 2πr/E = τl / ε₀ , откуда: . Если r >R, то замкнутая поверхность зарядов внутри не содержит, поэтому в этой области E = 0.