поле бесконечно длинного цилиндра
Поле заряженного бесконечно длинного цилиндра (нити)
Пусть поле создается бесконечной цилиндрической поверхностью радиуса R, заряженной с постоянной линейной плотностью
где dq– заряд, сосредоточенный на отрезке цилиндра
Из соображения симметрии следует, что Е в любой точке будет направлена вдоль радиуса, перпендикулярно оси цилиндра.
Представим вокруг цилиндра (нити)коаксиальную замкнутую поверхность (цилиндр в цилиндре) радиуса r и длиной l(основания цилиндров перпендикулярно оси). Для оснований цилиндров En=0 для боковой поверхности En=E(r)т.е. зависит от расстояния r.
Следовательно, поток вектора E через рассматриваемую поверхность, равен
При r>=R на поверхности будет заряд
По теореме Остроградского-Гаусса
отсюда
Если r 0, получить нить.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Поле бесконечно длинного цилиндра
Электростатическое поле бесконечно длинного прямого равномерно заряженного цилиндра.
Рассмотрим цилиндр радиусом R, равномерно заряженный с линейной плотностью + t (это, конечно же, может быть электрический кабель). Из условия симметрии следует, что силовые линии лежат в плоскостях, перпендикулярных к образующей цилиндра, и направлены радиально от оси цилиндра (рис.16.14), причем, во всех точках, равноудаленных от оси цилиндра, как электрические смещения D, так и напряженности поля Е одинаковы.
Для того чтобы найти D и Е в какой-либо точке А, лежащей на расстоянии r>R от оси цилиндра, проведем через эту точку замкнутую цилиндрическую поверхность S, имеющую конечную длину и коаксиальную с заряженной. Поток смещения сквозь основания этой поверхности, перпендикулярные к оси цилиндра, очевидно, равен нулю, так как для оснований Dn=0.
Рис.16.14. Поле бесконечного заряженного цилиндра.
В точках боковой поверхности Dn = D = const и поток смещения равен 2 p rlD. Таким образом, полный поток смещения ФD сквозь рассматриваемую замкнутую поверхность S равен
Приравнивая правые части выражений (16.25) и (16.24), получаем:
Разность потенциалов между двумя точками поля, лежащими на расстояниях r1 и r2 от оси заряженного цилиндра, равна:
4. Электростатическое поле заряженной проводящей
Рассмотрим поле проводящей и, разумеется, равномерно заряженной по поверхности сферы с радиусом R. Из условия симметрии следует, что силовые линии электростатического поля заряженной сферы направлены радиально (рис.16.16). По тем же причинам численное значение электрического смещения D должно быть одинаковым во всех точках, лежащих на одном и том же расстоянии от центра О заряженной сферы.
Проведем через исследуемую точку поля А, лежащую вне заряженной сферы (r>R), шаровую поверхность S с центром в точке О. Во всех точках этой поверхности Dn = D = const. Поэтому поток смещения сквозь замкнутую поверхность S равен:
Рис.16.16. К расчету поля заряженной проводящей сферы.
Эти формулы тождественны формулам для поля точечного заряда q. Таким образом, электростатическое поле за пределами заряженной сферической поверхности эквивалентно полю точечного заряда, равного общему заряду сферы и расположенного в ее центре. Причем расстояние отсчитывается от центра сферы, а напряженность поля на поверхности (точнее, в точках, бесконечно близких к поверхности, но вне её) равна
Рассмотрим теперь произвольную точку В, лежащую внутри сферы (r R и r2>R ), находим из формулы:
Электростатическое поле равномерно заряженного по объёму шара.
Рассмотрим шар радиусом R, заряженный с постоянной объемной плотностью r (рис.16.17). Такой процедуре можно подвергнуть лишь шар из диэлектрика.
Рис.16.17. К расчету поля непроводящей заряженной сферы.
В любой точке А, лежащей вне шара на расстоянии r от его центра (r>R),его поле аналогично полю точечного заряда рacположенного в центре шара. Поэтому электрическое смещение, напряженность поля и разность потенциалов вычисляются соответственно по формулам, полученным для проводящей заряженной сферы (16.29), (16.30) и (16.31).
В любой точке В, лежащей внутри шара на расстоянии r от его центра (r
Разность потенциалов между двумя точками поля внутри шара зависит от расстояния не линейно и равна:
На рис.16.17 представлен график зависимости Е от r для равномерно заряженного по объёму шара. При r = R выражения (16.30) и (16.35) совпадают:
Учебник по физике. Конспект лекций и примеры решения задач
Электростатическое поле бесконечно длинного прямого равномерно заряженного цилиндра.
Рассмотрим цилиндр радиусом R, равномерно заряженный с линейной плотностью + t (это, конечно же, может быть электрический кабель). Из условия симметрии следует, что силовые линии лежат в плоскостях, перпендикулярных к образующей цилиндра, и направлены радиально от оси цилиндра (рис.16.14), причем, во всех точках, равноудаленных от оси цилиндра, как электрические смещения D, так и напряженности поля Е одинаковы.
Для того чтобы найти D и Е в какой-либо точке А, лежащей на расстоянии r>R от оси цилиндра, проведем через эту точку замкнутую цилиндрическую поверхность S, имеющую конечную длину и коаксиальную с заряженной. Поток смещения сквозь основания этой поверхности, перпендикулярные к оси цилиндра, очевидно, равен нулю, так как для оснований Dn=0.
Рис.16.14. Поле бесконечного заряженного цилиндра.
В точках боковой поверхности Dn = D = const и поток смещения равен 2 p rlD. Таким образом, полный поток смещения ФD сквозь рассматриваемую замкнутую поверхность S равен
Приравнивая правые части выражений (16.25) и (16.24), получаем:
Разность потенциалов между двумя точками поля, лежащими на расстояниях r1 и r2 от оси заряженного цилиндра, равна:
4. Электростатическое поле заряженной проводящей
Рассмотрим поле проводящей и, разумеется, равномерно заряженной по поверхности сферы с радиусом R. Из условия симметрии следует, что силовые линии электростатического поля заряженной сферы направлены радиально (рис.16.16). По тем же причинам численное значение электрического смещения D должно быть одинаковым во всех точках, лежащих на одном и том же расстоянии от центра О заряженной сферы.
Проведем через исследуемую точку поля А, лежащую вне заряженной сферы (r>R), шаровую поверхность S с центром в точке О. Во всех точках этой поверхности Dn = D = const. Поэтому поток смещения сквозь замкнутую поверхность S равен:
Рис.16.16. К расчету поля заряженной проводящей сферы.
Эти формулы тождественны формулам для поля точечного заряда q. Таким образом, электростатическое поле за пределами заряженной сферической поверхности эквивалентно полю точечного заряда, равного общему заряду сферы и расположенного в ее центре. Причем расстояние отсчитывается от центра сферы, а напряженность поля на поверхности (точнее, в точках, бесконечно близких к поверхности, но вне её) равна
Рассмотрим теперь произвольную точку В, лежащую внутри сферы (r R и r2>R ), находим из формулы:
Электростатическое поле равномерно заряженного по объёму шара.
Рассмотрим шар радиусом R, заряженный с постоянной объемной плотностью r (рис.16.17). Такой процедуре можно подвергнуть лишь шар из диэлектрика.
Рис.16.17. К расчету поля непроводящей заряженной сферы.
В любой точке А, лежащей вне шара на расстоянии r от его центра (r>R),его поле аналогично полю точечного заряда рacположенного в центре шара. Поэтому электрическое смещение, напряженность поля и разность потенциалов вычисляются соответственно по формулам, полученным для проводящей заряженной сферы (16.29), (16.30) и (16.31).
В любой точке В, лежащей внутри шара на расстоянии r от его центра (r
Разность потенциалов между двумя точками поля внутри шара зависит от расстояния не линейно и равна:
На рис.16.17 представлен график зависимости Е от r для равномерно заряженного по объёму шара. При r = R выражения (16.30) и (16.35) совпадают:
Учебники
Журнал «Квант»
Общие
§12. Постоянное магнитное поле
12.13 Применение теоремы о циркуляции к расчету магнитного поля.
12.13.1 Поле цилиндрического проводника с током.
Постоянный электрический ток силой I протекает по длинному цилиндрическому проводнику радиуса R (Рис. 55). Найдем распределение индукции магнитного в пространстве, как внутри цилиндра, так и вне его. Будем считать, что ток равномерно распределен по поперечному сечению цилиндра, то есть плотность тока является постоянной и равной
Это предположение выглядит логичным, однако не обоснованным, на самом деле, расчет распределения плотности тока является отдельной сложной задачей.
Можно повторить все рассуждения и экспериментальные обоснования, которые привели нас к выводу о том, что силовые линии магнитного поля прямого тока являются концентрическими окружностями. В данном случае симметрия задачи также осевая, поэтому и здесь силовые линии – окружности с центрами на оси цилиндра. Для расчета величины магнитной индукции, конечно, допустимо использовать закон Био-Саварра-Лапласа и принцип суперпозиции. Но зачем идти таким длинным путем, если есть возможность воспользоваться теоремой о циркуляции вектора магнитной индукции. Сначала в качестве контура L1 выберем окружность радиуса r, совпадающую с одной из силовых линий, которая расположена внутри цилиндра. На этой окружности вектор индукции направлен по касательной к контуру (это же силовая линия) и постоянен по модулю, поэтому циркуляция вектора индукции равна произведению ее модуля на длину окружности \(
из которого находим значение индукции поля
которая возрастает пропорционально расстоянию до оси цилиндра.
Если вычислить циркуляцию для кругового контура L2, радиус r которого превышает радиус цилиндра, то она, по-прежнему, будет равна \(
из которой следует, что магнитное поле в рассматриваемом случае совпадает с полем прямого тока, индукция которого равна
и убывает обратно пропорционально расстоянию до оси цилиндра. На поверхности цилиндра (при r = R) формулы (2) и (3) приводят к одному и тому же результату, здесь индукция поля максимальна \(
Важно отметить, что распределение магнитного поля вне цилиндра не зависит от распределения плотности тока внутри цилиндра, если это распределение сохраняет осевую симметрию. Поэтому если поле создается электрическими токами, протекающими по тонким проводам, то нас не интересует распределение плотности тока в поперечном сечении.
График зависимости индукции поля от расстояния до оси цилиндра приведен на рис. 56.
12.13.2 Поле пластины с током.
Электрический ток равномерно протекает по очень большой пластине (то есть будем считать ее бесконечной), линейная плотность тока равна i (Рис.57). Найдем индукцию магнитного поля, Создаваемого таким распределением токов.
В том случае, когда электрический ток протекает по тонкой пластине, можно пренебречь толщиной пластины, или распределением плотности тока по глубине, то распределение токов на поверхности удобно характеризовать линейной плотностью – отношением силы тока, пересекающего малый отрезок, перпендикулярный направлению тока, к длине этого отрезка
Линейную плотность тока можно считать вектором, указывающим направление движения зарядов.
Линейная плотность тока является некоторым аналогом поверхностной плотности заряда – когда можно пренебречь толщиной слоя, в котором находятся заряды, можно считать, что все заряды находятся на поверхности, и описывать их распределение поверхностной плотностью σ. Кстати, равномерное распределение поверхностных токов можно получить, если равномерно заряженную пластину (с постоянной плотностью заряда σ) двигать с постоянной скоростью \(
\vec i = \sigma \vec \upsilon\) (докажите это самостоятельно).
Вернемся к расчету магнитного поля. Прежде всего, нам необходимо попытаться определить направление вектора индукции этого поля. Используя симметрию задачи можно утверждать, что вектор индукции может зависеть только от расстояния до плоскости (если сместится на некоторое расстояние вдоль плоскости, то распределение токов не изменится, почему должно изменится создаваемое им поле?). Поле под плоскостью совпадет с полем над плоскостью при его повороте на 180° (при таком повороте распределение токов на плоскости не изменяется).
Далее – вектор индукции такого поля не может иметь составляющей, перпендикулярной пластине, иначе не будет выполняться теорема о магнитном потоке.
Наконец, прямой электрический ток, создает магнитное поле, вектор индукции которого перпендикулярен направления тока – откуда в данной задаче взяться составляющей вектора индукции, параллельной току?
Таким образом, мы приходим к выводу, что вектор индукции изучаемого поля и его силовые линии направлены параллельно пластине и перпендикулярно направлению тока (Рис. 57).
К этому же выводу можно прийти на основании принципа суперпозиции. Для этого следует разбить плоскость на ряд очень тонких полосок, параллельных направлению тока, которые можно рассматривать как линейные токи (Рис. 59).
Затем следует просуммировать [1] векторы индукции полей, создаваемых каждой полоской. Понятно, что на бесконечной плоскости каждой полоске I1 (за исключением I0, той, которая находится непосредственно под точкой наблюдения A) найдется симметричная ей I2. Сумма векторов индукции полей, создаваемых симметричными полосками, направлена параллельно плоскости и перпендикулярно току (так же как и вектор индукции центральной полоски I0). Следовательно, и сумма векторов индукции полей, создаваемых всеми полосками направлена также.
Все эти рассуждения нам необходимы, чтобы выбрать контур для подсчета циркуляции в виде прямоугольника ABCD (Рис. 57), симметричного относительно пластины, плоскость которого перпендикулярна пластине и направлению тока, а две его стороны параллельны пластине (длины этих сторон обозначим l). На сторонах BC и DA вектор индукции перпендикулярен им (поэтому здесь \(
\vec B \cdot \Delta \vec l = 0\)), а на сторонах параллельных плоскости вектор индукции постоянен и направлен вдоль контура (поэтому на каждой из этих сторон \(
\sum_k \vec B_k \cdot \Delta \vec l_k = Bl\)). Таким образом, циркуляция вектора индукции по данному контуру равна \(
12.13.3 Поле соленоида.
Соленоидом называется цилиндрическая катушка с проволочной обмоткой, по которой можно пропускать электрический ток (Рис. 60). Такой прибор широко используется в различных приборах для создания магнитного поля и других целей.
Сейчас наша задача – рассчитать характеристики магнитного поля, создаваемого электрическим током, протекающим по обмотке. Будем считать, что все параметры катушки (соленоида) нам известны. Для этого, прежде всего, необходимо качественно обсудить структуру магнитного поля. Первое, самое очевидное, источник обладает осевой симметрией, поэтому создаваемое им поле также должно быть осесимметричным, поэтому достаточно рассмотреть структуру поля (например, его силовые линии).
Далее воспользуемся способом рассуждений Майкла Фарадея, который с каждым электрическим зарядом связывал определенное число силовых линий электрического поля исходящих из заряда (своеобразная трактовка теоремы Гаусса), а с каждым элементом тока определенное число замкнутых силовых линий магнитного поля (теорема о циркуляции индукции магнитного поля).
Соленоид является совокупностью параллельных практически плоских круговых витков, поле которого мы изучали. Посмотрим еще раз на силовые линии поля одного витка (На Рис. 61 показаны поля двух витков – каждое из которых часть рисунка 33). Силовые линии должны охватить проводник с током, поэтому они сгущаются внутри витка, а снаружи удаляются от него. Если сблизить два витка, то силовые линии начнут охватывать оба проводника (токи в них текут в одном направлении), что приведет к еще большему сгущению внутри витков и удалению от них снаружи. Добавление числа витков будет усиливать этот эффект. Поэтому следует ожидать, что для длинного соленоида с большим числом витков, силовые линии внутри соленоида будут почти прямыми линиями с небольшими искривлениями при приближении к границам катушки (Рис. 62), а снаружи от него будут замыкаться где-то очень далеко от катушки.
Проведем еще одну цепочку рассуждений, приводящих к такому же выводу о структуре магнитного поля соленоида.
Сначала рассмотрим электрическое поле равномерно заряженной плоскости, которое является однородным с каждой стороны от плоскости и зеркально симметричным. А затем мысленно свернем часть плоскости в цилиндрическую трубку (Рис. 63). Внутри векторы напряженности окажутся направленными противоположно друг другу, поэтому скомпенсируют друг друга – поле внутри равномерно заряженного цилиндра отсутствует, а снаружи будет радиальным (Рис. 63).
Теперь «сделаем» соленоид из участка плоскости, по которой равномерно протекает электрический ток. В этом случае силовые линии внутри цилиндра сгущаются, а снаружи имеют возможность «разбежаться» (Рис. 64).
Интересная конструкция получится, если расположить параллельно две плоских пластины, по которым токи текут в противоположных направлениях. В этом случае магнитное поле будет создаваться только между пластинами, так как снаружи поля пластин направлены противоположно и компенсируют друг друга. Не напоминает ли эта система плоский конденсатор? Похожая ситуация и в случае соленоида – снаружи вблизи соленоида магнитное поле отсутствует.
Задание для самостоятельной работы.
После того, как структура поля установлена, расчет величины индукции поля является «примитивной задачкой». Выберем контур (см. Рис. 62) для применения теоремы о циркуляции в виде прямоугольника ABCD, стороны которого AB и CD параллельны оси катушки. Подсчет циркуляции вектора индукции магнитного поля (то есть суммы \(
\Gamma_B = \sum_i \vec B_i \cdot \Delta \vec l_i\)) в рассматриваемом случае прост: на стороне AB магнитное поле отсутствует; на сторонах BC и DA вектор индукции перпендикулярен контуру (поэтому соответствующие слагаемые также равны нулю); на стороне CD вектор индукции постоянен и параллелен этой стороне, поэтому здесь \(
Из окончательной формулы (2) следует, что поле внутри длинного соленоида является однородным. При приближении к торцам соленоида начинают сказываться, так называемые, краевые эффекты: во-первых, поле перестает быть однородным, появляются радиальные составляющие вектора индукции (силовые линии изгибаются), во-вторых, величина индукции поля уменьшается.
Задание для самостоятельной работы.
Покажите, в точке находящейся в центре торца соленоида, индукция поля уменьшается в два раза по сравнению с индукцией поля в точках далеких от торцов. (Подсказка: мысленно присоедините к рассматриваемому торцу еще один такой же соленоид).
Поле бесконечно длинного цилиндра
| Вычисление электрических полей с помощью теоремы Остроградского –Гаусса |   |
во всех точках будет иметь направление, перпендикулярное плоскости S (рис. 2.11).
. Следовательно, из теоремы Остроградского–Гаусса получим:
.
, то
, где d q – заряд, сосредоточенный на отрезке цилиндра (рис. 2.14).
для боковой поверхности 
т.е. зависит от расстояния r.
на поверхности будет заряд 
По теореме Остроградского-Гаусса 
, отсюда
, т.к. внутри замкнутой поверхности зарядов нет (рис.2.15).
), то можно вблизи поверхности получить поле с очень большой напряженностью и, при 
, получить нить.
,и силовые линии перпендикулярны поверхности в любой точке. Вообразим вокруг шара – сферу радиуса r (рис. 2.17).
; 
– объем шара. Тогда по теореме Остроградского-Гаусса запишем: