поле равномерно заряженного цилиндра

10.10.202315.08.2023 admin 0 Comments

Поле равномерно заряженного цилиндра

Вычисление электрических полей с помощью теоремы Остроградского –Гаусса

Продемонстрируем возможности теоремы Остроградского-Гаусса на нескольких примерах.

Поле бесконечной однородно заряженной плоскости

Поверхностная плотность заряда на произвольной плоскости площадью S определяется по формуле:

где d q – заряд, сосредоточенный на площади d S; d S – физически бесконечно малый участок поверхности.

Пусть σ во всех точках плоскости S одинакова. Заряд q – положительный. Напряженность во всех точках будет иметь направление, перпендикулярное плоскости S (рис. 2.11).

Очевидно, что в симметричных, относительно плоскости точках, напряженность будетодинакова по величине и противоположна по направлению.

Представим себе цилиндр с образующими, перпендикулярными плоскости, и основаниями ΔS, расположенными симметрично относительно плоскости (рис. 2.12).


Рис. 2.11	Рис. 2.12

Тогда

Суммарный поток через замкнутую поверхность (цилиндр) будет равен:

Внутри поверхности заключен заряд . Следовательно, из теоремы Остроградского–Гаусса получим:

откуда видно, что напряженность поля плоскости S равна:

Полученный результат не зависит от длины цилиндра. Это значит, что на любом расстоянии от плоскости

Поле двух равномерно заряженных плоскостей

Пусть две бесконечные плоскости заряжены разноименными зарядами с одинаковой по величине плотностью σ (рис. 2.13).

Результирующее поле, как было сказано выше, находится как суперпозиция полей, создаваемых каждой из плоскостей .

Тогда внутри плоскостей

Вне плоскостей напряженность поля

Полученный результат справедлив и для плоскостей конечных размеров, если расстояние между плоскостями гораздо меньше линейных размеров плоскостей (плоский конденсатор).

Между пластинами конденсатора действует сила взаимного притяжения (на единицу площади пластин):

Механические силы, действующие между заряженными телами, называют пондермоторными.

Тогда сила притяжения между пластинами конденсатора:

где S – площадь обкладок конденсатора. Т.к. , то

Это формула для расчета пондермоторной силы.

Поле заряженного бесконечно длинного цилиндра (нити)

Пусть поле создается бесконечной цилиндрической поверхностью радиуса R, заряженной с постоянной линейной плотностью , где d q – заряд, сосредоточенный на отрезке цилиндра (рис. 2.14).

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 для боковой поверхности т.е. зависит от расстояния r.

Следовательно, поток вектора через рассматриваемую поверхность, равен

При на поверхности будет заряд По теореме Остроградского-Гаусса , отсюда

Если , т.к. внутри замкнутой поверхности зарядов нет (рис.2.15).

Если уменьшать радиус цилиндра R (при ), то можно вблизи поверхности получить поле с очень большой напряженностью и, при , получить нить.

Поле двух коаксиальных цилиндров с одинаковой линейной плотностью λ, но разным знаком

В зазоре между цилиндрами, поле определяется так же, как и в предыдущем случае:

Это справедливо и для бесконечно длинного цилиндра, и для цилиндров конечной длины, если зазор между цилиндрами намного меньше длины цилиндров (цилиндрический конденсатор).

Поле заряженного пустотелого шара

Пустотелый шар (или сфера) радиуса R заряжен положительным зарядом с поверхностной плотностью σ. Поле в данном случае будет центрально симметричным, – в любой точке проходит через центр шара. ,и силовые линии перпендикулярны поверхности в любой точке. Вообразим вокруг шара – сферу радиуса r (рис. 2.17).

Если то внутрь воображаемой сферы попадет весь заряд q, распределенный по сфере, тогда

откуда поле вне сферы:

Внутри сферы, при поле будет равно нулю, т.к. там нет зарядов:

Как видно из (2.5.7) вне сферы поле тождественно полю точечного заряда той же величины, помещенному в центр сферы.

Поле объемного заряженного шара

Для поля вне шара радиусом R (рис. 2.18) получается тот же результат, что и для пустотелой сферы, т.е. справедлива формула:

Но внутри шара при сферическая поверхность будет содержать в себе заряд, равный

где ρ – объемная плотность заряда, равная: ; – объем шара. Тогда по теореме Остроградского-Гаусса запишем:

Таким образом, внутри шара

Источник

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:

Источник

Поле равномерно заряженного цилиндра

Экспериментально установленные закон Кулона и принцип суперпозиции позволяют полностью описать электростатическое поле заданной системы зарядов в вакууме. Однако, свойства электростатического поля можно выразить в другой, более общей форме, не прибегая к представлению о кулоновском поле точечного заряда.

Теорема Гаусса утверждает:

Поток вектора напряженности электростатического поля через произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме зарядов, расположенных внутри этой поверхности, деленной на электрическую постоянную ε₀.

Окружим теперь точечный заряд произвольной замкнутой поверхностью и рассмотрим вспомогательную сферу радиуса (рис. 1.3.3).

Таким образом, теорема Гаусса доказана.

Теорема Гаусса является следствием закона Кулона и принципа суперпозиции. Но если принять утверждение, содержащееся в этой теореме, за первоначальную аксиому, то ее следствием окажется закон Кулона. Поэтому теорему Гаусса иногда называют альтернативной формулировкой закона Кулона.

Используя теорему Гаусса, можно в ряде случаев легко вычислить напряженность электрического поля вокруг заряженного тела, если заданное распределение зарядов обладает какой-либо симметрией и общую структуру поля можно заранее угадать.

Этот результат не зависит от радиуса заряженного цилиндра, поэтому он применим и к полю длинной однородно заряженной нити.

Аналогичным образом можно применить теорему Гаусса для определения электрического поля в ряде других случаев, когда распределение зарядов обладает какой-либо симметрией, например, симметрией относительно центра, плоскости или оси. В каждом из таких случаев нужно выбирать замкнутую гауссову поверхность целесообразной формы. Например, в случае центральной симметрии гауссову поверхность удобно выбирать в виде сферы с центром в точке симметрии. При осевой симметрии замкнутую поверхность нужно выбирать в виде соосного цилиндра, замкнутого с обоих торцов (как в рассмотренном выше примере). Если распределение зарядов не обладает какой-либо симметрией и общую структуру электрического поля угадать невозможно, применение теоремы Гаусса не может упростить задачу определения напряженности поля.

Рассмотрим еще один пример симметричного распределения зарядов – определение поля равномерно заряженной плоскости (рис. 1.3.5).

Полученное выражение для электрического поля однородно заряженной плоскости применимо и в случае плоских заряженных площадок конечного размера. В этом случае расстояние от точки, в которой определяется напряженность поля, до заряженной площадки должно быть значительно меньше размеров площадки.

Источник

Поле бесконечного круглого равномерно заряженного цилиндра

Пусть R – радиус цилиндра. Его заряд будем характеризовать линейной плотностью : это заряд, приходящийся на каждую единицу длины образующей цилиндра. Значит, на любой участок длины l приходится заряд .

Шаг 1. Из соображений симметрии ясно, что линии напряженности начинаются на поверхности цилиндра и идут перпендикулярно его оси – как внутри, так и снаружи. Поле обладает осевой (или аксиальной) симметрией. Напряженность может зависеть только от расстояния r до оси.

Найдем сначала поле снаружи цилиндра.

Шаг 2. Выбираем цилиндрическую поверхность произвольного радиуса r > R, ось которой совпадает с осью заряженного цилиндра. Пусть длина этой уилингдрической поверхности равна l. Поток через торцы равен нулю, а через боковую поверхность

(1).