Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Физика (3 семестр) mobile

.pdf
Скачиваний:
73
Добавлен:
28.03.2015
Размер:
1.96 Mб
Скачать

 

 

 

, где угол между вектором электрической индукции и нормалью к поверхности нити равен 90 градусов, следовательно,

Так как

, имеем:

2. Найти поле сферы с радиусом , заряженной равномерно с поверхностной плотностью .

Исследуем области, в сферической системе отсчёта

имеем

:

 

Первая область при

:

Вторая область при

:

 

 

Описание свойств векторных полей.

В математике существует теорема Остроградского-

Гаусса. Согласно ей, поток любого вектора сквозь замкнутую поверхность равен:

, где – дивергенция (из Википедии:

дифференциальный оператор, показывающий, насколько расходятся входящий и исходящий потоки в данной точке

векторного поля) вектора ; – объём, ограниченный поверхностью .

Рассмотрим поле вектора электрического смещения:

, но:

 

, тогда:

, после подведения имеем:

Тождественное равенство нулю возможно в случае:

Уравнение (5) обобщение закона Кулона в дифференциальной форме (теорема Гаусса в дифференциальной форме).

В векторном анализе показано, что отношение какого-

либо вектора через замкнутую поверхность

к величине

объёма , ограниченного , при

 

 

(если предел)

не зависит от формы поверхности:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Предел отношения получил название дивергенции

(расхождения), поскольку поток вектора и

– скалярны,

то и дивергенция вектора – скаляр.

 

 

 

Физический смысл понятия дивергенция: поток из точки или из бесконечно малого объёма. С помощью этого понятия можно исследовать пространство на наличие источников поля A.

Если , то в исследуемой точке находится источник поля.

Если

 

, то в исследуемой точке имеется сток.

Если , то в исследуемой точке пространства источников поля нет.

Как вычислить дивергенцию:

Дивергенция любого вектора вычисляется, как:

,где (набула) – оператор Гамильтона.

для декартовых координат:

Тогда:

(

 

 

 

 

 

) (

 

)

 

 

 

, при этом мы учли, что:

 

 

 

 

 

Электростатическое

поле.

Электростатика рассматривает процессы, неизменные во времени:

, а также поля, создаваемые неподвижными зарядами. Если заряд неподвижен, то плотность токопроводимости равна нулю:

Потенциал электростатического поля:

Имеем неподвижный заряд , который создаёт в пространстве поле, напряжённость которого равна:

В этом поле перемещаем другой точечный заряд от положения 1 в положение 2. В каждой точке поля от заряда

со стороны поля на заряд

действует сила:

 

 

 

 

 

 

 

 

Работа, совершённая силами поля при перемещении заряда выражается криволинейным интегралом:

∫ [ ] ∫

 

 

 

(

 

 

 

)

 

 

 

 

Из формулы (3) видно, что работа не зависит от формы пути и определяется только начальным и конечным положением заряда (координатами).

Силовые поля, удовлетворяющие такому условию,

называются потенциальными, следовательно, электростатическое поле точечного заряда – потенциально.

В общем случае любую систему зарядов можно мысленно разделить на элементарные части, каждая из которых может рассматриваться как точечный заряд. В число таких зарядов входят и индукционные заряды на проводниках и диэлектриках, поэтому любое электростатическое поле, вне зависимости от того, создаётся оно в вакууме или диэлектрике, потенциально.

Пусть в электростатическом поле заряд переносится из точки 1 в точку 2 сначала по пути 1-3-2, затем по пути 1-4-2.

Следовательно при перемещении заряда по замкнутому пути работа поля равна нулю. Если перемещаем единичный заряд, то:

[ ]

Этот интеграл называется циркуляцией вектора напряжённости по замкнутому контуру .

Это приводит к другому определению потенциального поля, эквивалентному данному выше: векторное поле вектора напряжённости называется потенциальным, если циркуляция вектора напряжённости по любому замкнутому контуру равна нулю.

Уравнение (4) второе фундаментальное уравнение электростатики. Из этого уравнения следует, что силовые линии электростатического поля не могут быть замкнутыми.

Работа сил консервативного поля может быть представлена как убыль потенциальной энергии:

Сравнивая уравнения (5) и (3), получим выражение для потенциальной энергии заряда в поле заряда :

Константа в уравнении (6) выбирается таким образом, чтобы при удалении заряда на бесконечность потенциальная энергия обращалась в ноль.

Пусть заряд - пробный. Тогда из уравнения (7) видно, что потенциальная энергия, которой обладал пробный заряд, зависит не только от величины пробного заряда, но и от величины заряда, создающего поле, и от расстояния между зарядами, следовательно, потенциальная энергия может быть использована для описания поля подобно тому, как была использована для этой цели сила, действующая на пробный заряд.

Разные пробные заряды будут обладать в одной точке поля разными потенциальными энергиями. Однако

отношение потенциальной энергии к величине пробного заряда будет для всех зарядов одинаковым. Такая величина является потенциалом поля в данной точке и является энергетической характеристикой электростатического поля:

Потенциал поля точечного заряда:

Если поле создано суперпозицией точечных зарядов, то потенциал поля равен алгебраической сумме потенциалов полей, создаваемых каждым из зарядов.

Заряд , находящийся в точке поля с потенциалом , обладает потенциальной энергией:

Работа сил поля по перемещению из точки 1 в

точку 2 может быть выражена через разность потенциалов:

Если заряд из точки с потенциалом удалить на бесконечность, где потенциал равен нулю, то работа сил поля:

Таким образом, потенциал численно равен работе, которую совершают силы поля над единичным положительным зарядом при удалении его из данной точки в бесконечность. Такую же работу нужно совершить против сил электростатического поля для того, чтобы переместить единичный положительный заряд из бесконечности в данную точку поля.