Теорема Остроградского—Гаусса. Теорема Гаусса для электрической индукции (электрического смещения) Теорема гаусса для вектора индукции электрического поля

Когда зарядов много, при расчётах полей возникают некоторые трудности.

Преодолеть их помогает теорема Гаусса. Суть теоремы Гаусса сводится к следующему: если произвольное количество зарядов мысленно окружить замкнутой поверхностью S, то поток напряжённости электрического поля через элементарную площадку dS можно записать как dФ = Есоsα۰dS где α - угол между нормалью к плоскости и вектором напряжённости . (рис.12.7)

Полный же поток через всю поверхность будет равен сумме потоков от всех зарядов, произвольным образом распределённых внутри её и пропорционально величине этого заряда

(12.9)

Определим поток вектора напряжённости сквозь сферическую поверхность радиуса r, в центре которой расположен точечный заряд +q (рис.12.8). Линии напряжённости перпендикулярны поверхности сферы, α =0, следовательно соsα = 1. Тогда

Если поле образовано системой зарядов, то

Теорема Гаусса: поток вектора напряжённости электростатического поля в вакууме сквозь любую замкнутую поверхность равен алгебраической сумме зарядов, заключенных внутри этой поверхности, делённой на электрическую постоянную.

(12.10)

Если внутри сферы зарядов нет, то Ф = 0.

Теорема Гаусса позволяет сравнительно просто рассчитать электрические поля при симметрично распределённых зарядов.

Введём понятие о плотности распределенных зарядов.

Линейная плотность обозначается τ и характеризует заряд q, приходящийся на единицу длины ℓ. В общем виде может быть рассчитана по формуле

(12.11)

При равномерном распределении зарядов линейная плотность равна

Поверхностная плотность обозначается σ и характеризует заряд q, приходящийся на единицу площади S. В общем виде определяется по формуле

(12.12)

При равномерном распределении зарядов по поверхности поверхностная плотность равна

Объёмная плотность обозначается ρ, характеризует заряд q, приходящийся на единицу объёма V. В общем виде определяется по формуле

(12.13)

При равномерном распределении зарядов она равна
.

Так как заряд q располагается на сфере равномерно, то

σ = const. Применим теорему Гаусса. Проведём сферу радиусом через точку А. Поток вектора напряжённости рис.12.9 сквозь сферическую поверхность радиуса равен соsα = 1, так как α = 0. По теореме Гаусса,
.

или

(12.14)

Из выражения (12.14) следует, что напряжённость поля вне заряженной сферы такая же, как напряжённость поля точечного заряда, помещённого в центре сферы. На поверхности сферы, т.е. r 1 = r 0 , напряжённость
.

Внутри сферы r 1 < r 0 (рис.12.9) напряжённость Е = 0, так как сфера радиусом r 2 внутри никаких зарядов не содержит и, по теореме Гаусса, поток вектора сквозь такую сферу равен нулю.

Цилиндр радиусом r 0 равномерно заряжен с поверхностной плотностью σ (рис.12.10). Определим напряжённость поля в произвольно выбранной точке А. Проведём через точку А воображаемую цилиндрическую поверхность радиусом R и длиной ℓ. Вследствие симметрии поток будет выходить только через боковые поверхности цилиндра, так как заряды на цилиндре радиуса r 0 распределены по его поверхности равномерно, т.е. линии напряжённости будут радиальными прямыми, перпендикулярными боковым поверхностям обоих цилиндров. Так как поток через основание цилиндров равен нулю (cos α = 0), а боковая поверхность цилиндра перпендикулярна силовым линиям (cos α = 1), то

или

(12.15)

Выразим величину Е через σ - поверхностную плотность. По определению,

следовательно,

Подставим значение q в формулу (12.15)

(12.16)

По определению линейной плотности,
, откуда
; подставляем это выражение в формулу (12.16):

(12.17)

т.е. напряжённость поля, создаваемого бесконечно длинным заряженным цилиндром, пропорциональна линейной плотности заряда и обратно пропорциональна расстоянию.

Напряжённость поля, создаваемого бесконечной равномерно заряженной плоскостью

Определим напряжённость поля, создаваемого бесконечной равномерно заряженной плоскостью в точке А. Пусть поверхностная плотность заряда плоскости равна σ. В качестве замкнутой поверхности удобно выбрать цилиндр, ось которого перпендикулярна плоскости, а правое основание содержит точку А. Плоскость делит цилиндр пополам. Очевидно, что силовые линии перпендикулярны плоскости и параллельны боковой поверхности цилиндра, поэтому весь поток проходит только через основания цилиндра. На обоих основаниях напряжённость поля одинакова, т.к. точки А и В симметричны относительно плоскости. Тогда поток, через основания цилиндра равен

Согласно теореме Гаусса,

Так как
, то
, откуда

(12.18)

Таким образом, напряжённость поля бесконечной заряженной плоскости пропорциональна поверхностной плотности заряда и не зависит от расстояния до плоскости. Следовательно, поле плоскости является однородным.

Напряжённость поля, создаваемого двумя разноименно равномерно заряженными параллельными плоскостями

Результирующее поле, создаваемое двумя плоскостями, определяется по принципу суперпозиции полей:
(рис.12.12). Поле, создаваемое каждой плоскостью, является однородным, напряжённости этих полей равны по модулю, но противоположны по направлению:
. По принципу суперпозиции напряжённость суммарного поля вне плоскости равна нулю:

Между плоскостями напряжённости полей имеют одинаковые направления, поэтому результирующая напряжённость равна

Таким образом, поле между двумя разноименно равномерно заряженными плоскостями однородно и его напряжённость в два раза больше, чем напряжённость поля, создаваемого одной плоскостью. Слева и справа от плоскостей поле отсутствует. Такой же вид имеет и поле конечных плоскостей, искажение появляется только вблизи их границ. С помощью полученной формулы можно рассчитать поле между обкладками плоского конденсатора.

Введем понятие потока вектора электрической индукции. Рассмотрим бесконечно малую площадку. В большинстве случаев необходимо знать не только величину площадки, но и ее ориентацию в пространстве. Введем понятие вектор-площадка. Условимся под вектором-площадкой понимать вектор, направленный перпендикулярно площадке и численно равной величине площадки.

Рисунок 1 – К определению вектора – площадки

Назовем потоком вектора че­рез площадку
скалярное произведение векторови
. Таким образом,

Поток вектора через произвольную поверхностьнаходится интегрированием всех элементарных потоков

(4)

Если поле однородно и плоская поверхность расположена перпен­дикулярно к полю, то:

. (5)

Приведенное выражение определяет число силовых линии, пронизывающих площадку в единицу времени.

Теорема Остроградского-Гаусса. Дивергенция напряженности электрического поля

Поток вектора электрической индукции сквозь произвольную замкнутую по­верхность равен алгебраической сумме свободных электрических зарядов, охватываемых этой поверхностью

(6)

Выражение (6) представляет собой теорему О-Г в интегральном виде. Теорема 0-Г оперирует с интегральным (суммарным) эффектом, т.е. если
то неизвестно, означает ли это отсутствие зарядов во всех точках исследуемой части пространства, или, то, что сумма положительных и отрицательных зарядов, расположенных в разных точках этого пространства равны нулю.

Для нахождения расположенных зарядов и их величины по заданному полю необходимо соотношение, связывающее вектор электрической индукции в данной точке с зарядом в той же точке.

Предположим, что нам нужно определить наличие заряда в точ­ке а (рис.2)

Рисунок 2 – К расчету дивергенции вектора

Применим теорему О-Г. Поток вектора электрической индукции через произвольную поверхность, ограничивающую объем, в которой находится точка а , равен

Алгебраическую сумму зарядов в объеме можно записать в виде объемного интеграла

(7)

где - заряд, отнесенный к единице объема;

- элемент объема.

Для получения связи между полем и зарядом в точке а будем уменьшать объем, стягивая поверхность к точке а . При этом разделим обе части нашего равенства на величину . Переходя к пределу, получим:

.

Правая часть полученного выражения является по определению объемной плотностью заряда в рассмотренной точке пространства. Левая часть представляет собой предел отношения потока вектора электрической индукции через замкнутую по­верхность к объему, ограниченному этой поверхностью, когда объем стремится к нулю. Эта скалярная величина является важной характеристикой электрического поля и носит название дивергенции вектора .

Таким образом:

,

следовательно

, (8)

где - объемная плотность заряда.

При помощи этого соотношения просто решается обратная задача электростатики, т.е. нахождение распределенных зарядов по известному полю.

Если вектор задан, значит известны его проекции
,
,
на координатные оси как функции координат и для вычисления распределенной плотности зарядов, создавших заданное поле, оказывается достаточно найти сумму трех частных производных этих проекций по соответствующим переменным. В тех точках для которых
зарядов нет. В точках где
положительна, имеется положительный заряд с объемной плотностью, равной
, а в тех точках где
будет иметь отрицательное значение, находится отрицательный заряд, плотность которого также определяется значением дивергенции.

Выражение (8) представляет теорему 0-Г в дифференциальной форме. В такой форме теорема показывает, что источниками электрического поля является свободные электрические заряды; силовые линии вектора электрической индукции начинаются и заканчиваются соответственно на положительных и отрицательных зарядах.

Общая формулировка: Поток вектора напряжённости электрического поля через любую, произвольно выбранную замкнутую поверхность пропорционален заключённому внутри этой поверхности электрическому заряду.

В системе СГСЭ:

В системе СИ:

— поток вектора напряженности электрического поля через замкнутую поверхность .

— полный заряд, содержащийся в объеме, который ограничивает поверхность .

— электрическая постоянная.

Данное выражение представляет собой теорему Гаусса в интегральной форме.

В дифференциальной форме теорема Гаусса соответствует одному из уравнений Максвелла и выражается следующим образом

в системе СИ:

,

в системе СГСЭ:

Здесь — объёмная плотность заряда (в случае присутствия среды — суммарная плотность свободных и связанных зарядов), а — оператор набла.

Для теоремы Гаусса справедлив принцип суперпозиции, то есть поток вектора напряжённости через поверхность не зависит от распределения заряда внутри поверхности.

Физической основой теоремы Гаусса является закон Кулона или, иначе, теорема Гаусса является интегральной формулировкой закона Кулона.

Теорема Гаусса для электрической индукции (электрическое смещение).

Для поля в веществе электростатическая теорема Гаусса может быть записана иначе — через поток вектора электрического смещения (электрической индукции). При этом формулировка теоремы выглядит следующим образом: поток вектора электрического смещения через замкнутую поверхность пропорционален заключённому внутри этой поверхности свободному электрическому заряду:

Если же рассматривать теорему для напряжённости поля в веществе, то в качестве заряда Q необходимо брать сумму свободного заряда, находящегося внутри поверхности и поляризационного (индуцированного, связанного) заряда диэлектрика:

,

где ,
— вектор поляризации диэлектрика.

Теорема Гаусса для магнитной индукции

Поток вектора магнитной индукции через любую замкнутую поверхность равен нулю:

.

Это эквивалентно тому, что в природе не существует «магнитных зарядов» (монополей), которые создавали бы магнитное поле, как электрические заряды создают электрическое поле. Иными словами, теорема Гаусса для магнитной индукции показывает, что магнитное поле является вихревым.

Применение теоремы Гаусса

Для вычисления электромагнитных полей используются следующие величины:

Объёмная плотность заряда (см. выше).

Поверхностная плотность заряда

где dS — бесконечно малый участок поверхности.

Линейная плотность заряда

где dl — длина бесконечно малого отрезка.

Рассмотрим поле, создаваемое бесконечной однородной заряженной плоскостью. Пусть поверхностная плотность заряда плоскости одинакова и равна σ. Представим себе мысленно цилиндр с образующими, перпендикулярными к плоскости, и основанием ΔS, расположенным относительно плоскости симметрично. В силу симметрии . Поток вектора напряжённости равен . Применив теорему Гаусса, получим:

,

из которого

в системе СГСЭ

Важно отметить, что несмотря на свою универсальность и общность, теорема Гаусса в интегральной форме имеет сравнительно ограниченное применение в силу неудобства вычисления интеграла. Однако в случае симметричной задачи решение её становится гораздо более простым, чем с использованием принципа суперпозиции.

Рассмотрим, как меняется значение вектора Е на границе раздела двух сред, например, воздуха (ε 1) и воды (ε = 81). На­пряженность поля в воде уменьшается скачком в 81 раз. Такое по­ведение вектора Е создает определенные неудобства при расчете полей в различных средах. Чтобы избежать этого неудобства вводят новый вектор D – вектор индукции или электрического смещения поля. Связь векторов D и Е имеет вид

D = ε ε 0 Е .

Очевидно, для поля точечного заряда электрическое смещение будет равно

Нетрудно увидеть, что электрическое смещение измеряется в Кл/м 2 , не зависит от свойств и графически изображается линиями, анало­гичными линиям напряженности.

Направление силовых линий поля характеризует направле­ние поля в пространстве (силовые линии, конечно, не существуют, их вводят для удобства иллюстрации) или направление вектора на­пряженности поля. С помощью линий напряженности можно характеризовать не только направление, но и величину напряженно­сти поля. Для этого условились прово­дить их с определенной густотой, так, чтобы число линий напряженности, про­низывающих единицу поверхности, пер­пендикулярной линиям напряженности, было пропорционально модулю вектора Е (рис. 78). Тогда число линий, пронизываю­щих элементарную площадку dS, нормаль к которой n образует угол α с вектором Е , равно E dScos α = E n dS,

где E n - составляющая вектора Е по направлению нормали n . Величину dФ Е = E n dS = E dS называют потоком вектора напряженности че­рез площадку dS (dS = dS·n ).

Для произвольной замкнутой поверхности S поток вектора Е через эту поверхность равен

Аналогичное выражение имеет поток вектора электрического сме­щения Ф D

.

Теорема Остроградского-Гаусса

Эта теорема позволяет определить поток векторов Е и D от любого количества зарядов. Возьмем точечный заряд Q и определим поток вектора Е че­рез шаровую поверхность радиуса r , в центре которой он располо­жен.

Для шаровой поверхности α = 0, cos α = 1, E n = E, S = 4 πr 2 и

Ф E = E · 4 πr 2 .

Подставляя выражение для Е получим

Таким образом, из каждого точечного заряда выходит поток Ф Е вектора Е равный Q/ ε 0 . Обобщая этот вывод на общий случай про­извольного числа точечных зарядов дают формулировку теоремы: полный поток вектора Е через замкнутую поверхность про­извольной формы численно равен алгебраической сумме электрических зарядов, заключенных внутри этой поверхно­сти, поделенной на ε 0 , т.е.

Для потока вектора электрического смещения D можно получить аналогичную формулу

поток вектора индукции через замкнутую поверхность равен алгебраической сумме электрических зарядов, охватываемых этой поверхностью.

Если взять замкнутую поверхность, не охватывающую заряд, то каждая линия Е и D будут пересекать эту поверхность дважды – на входе и выходе, поэтому суммарный поток оказывается равным нулю. Здесь необходимо учитывать алгебраическую сумму линий, входящих и выходящих.

Применение теоремы Остроградского-Гаусса для расчета элек­трических полей, создаваемых плоскостями, сферой и цилин­дром

Сферическая поверхность радиуса R несет на себе заряд Q, равномерно распределенный по поверхности с поверхностной плотностью σ

Возьмем точку А вне сферы на расстоянии r от центра и проведем мысленно сферу радиуса r симметричную заряженной (рис. 79). Ее площадь S = 4 πr 2 . Поток вектора Е будет равен

По теореме Остроградского-Гаусса
, следовательно,
учитывая, чтоQ = σ·4 πr 2 , получим

Для точек, находящихся на поверхности сферы (R = r)

Для точек, находящихся внутри полой сферы (внутри сферы нет за­ряда), Е = 0.

2 . Полая цилиндрическая поверхность радиусом R и длиной l заряжена с постоянной поверхностной плотностью заряда
(Рис. 80). Проведем коаксиальную цилиндрическую поверхность радиусаr > R.

Поток вектора Е через эту поверхность

По теореме Гаусса

Приравнивая правые части приведенных равенств, получим

.

Если задана линейная плотность заряда цилиндра (или тонкой нити)
то

3. Поле бесконечных плоскостей с поверхностной плотно­стью заряда σ (рис. 81).

Рассмотрим поле, создаваемое бесконечной плоскостью. Из сооб­ражений симметрии вытекает, что напряженность в любой точке поля имеет направление, перпендикулярное к плоскости.

В симметричных точках Е будет одинакова по величине и противоположна по направлению.

Построим мысленно поверхность цилиндра с основанием ΔS. Тогда через каждое из оснований цилиндра будет выходить поток

Ф Е = Е ΔS, а суммарный поток через цилиндрическую поверхность будет равен Ф Е = 2Е ΔS.

Внутри поверхности заключен заряд Q = σ · ΔS. Согласно теореме Гаусса должно выполняться

откуда

Полученный результат не зависит от высоты выбранного цилиндра. Таким образом напряжённость поля Е на любых расстояниях одинакова по величине.

Для двух разноименно заряженных плоскостей с одинаковой по­верхностной плотностью заряда σ по принципу суперпозиции вне про­странства между плоскостями напряжённость поля равна нулю Е = 0, а в пространстве между плос­костями
(рис. 82а). В случае, если плоскости заряжены одноименными зарядами с одинаковой поверхностной плотностью зарядов, наблюдается об­ратная картина (рис. 82б). В пространстве между плоскостями Е=0, а в пространстве за пределами плоскостей
.

Цель урока: Теорема Остроградского–Гаусса была установлена русским математиком и механиком Михаилом Васильевичем Остроградским в виде некоторой общей математической теоремы и немецким математиком Карлом Фридрихом Гауссом. Данная теорема может быть использована при изучении физики на профильном уровне, так как позволяет более рационально производить расчёты электрических полей.

Вектор электрической индукции

Для вывода теоремы Остроградского–Гаусса необходимо ввести такие важные вспомогательные понятия, как вектор электрической индукции и поток этого вектора Ф.

Известно, что электростатическое поле часто изображают при помощи силовых линий. Предположим, что мы определяем напряжённость в точке, лежащей на границе раздела двух сред: воздуха(=1) и воды (=81). В этой точке при переходе из воздуха в воду напряжённость электрического поля согласно формуле уменьшится в 81 раз. Если пренебречь проводимостью воды, то во столько же раз уменьшится число силовых линий. При решении различных задач на расчёт полей из-за прерывности вектора напряжённости на границе раздела сред и на диэлектриках создаются определённые неудобства. Чтобы избежать их, вводится новый вектор , который называется вектором электрической индукции:

Вектор электрической индукции равен произведению вектора на электрическую постоянную и на диэлектрическую проницаемость среды в данной точке.

Очевидно, что при переходе через границу двух диэлектриков число линий электрической индукции не изменяется для поля точечного заряда (1).

В системе СИ вектор электрической индукции измеряется в кулонах на квадратный метр (Кл/м 2). Выражение (1) показывает, что численное значение вектора не зависит от свойств среды. Поле вектора графически изображается аналогично полю напряжённости (например, для точечного заряда см. рис.1). Для поля вектора имеет место принцип суперпозиции:

Поток электрической индукции

Вектор электрической индукции характеризует электрическое поле в каждой точке пространства. Можно ввести ещё одну величину, зависящую от значений вектора не в одной точке, а во всех точках поверхности, ограниченной плоским замкнутым контуром.

Для этого рассмотрим плоский замкнутый проводник (контур) с площадью поверхности S, помещённый в однородное электрическое поле. Нормаль к плоскости проводника составляет угол с направлением вектора электрической индукции (рис. 2).

Потоком электрической индукции через поверхность S называют величину, равную произведению модуля вектора индукции на площадь S и на косинус угла между вектором и нормалью :

Вывод теоремы Остроградского–Гаусса

Эта теорема позволяет найти поток вектора электрической индукции через замкнутую поверхность, внутри которой находятся электрические заряды.

Пусть вначале один точечный заряд q помещён в центр сферы произвольного радиуса r 1 (рис. 3). Тогда ; . Вычислим полный поток индукции проходящий через всю поверхность этой сферы: ; (). Если возьмём сферу радиуса , то также Ф = q. Если проведём сферу , не охватывающую заряд q, то полный поток Ф = 0 (так как каждая линия войдёт в поверхность, а другой раз выйдет из неё).

Таким образом, Ф = q, если заряд расположен внутри замкнутой поверхности и Ф = 0, если заряд расположен вне замкнутой поверхности. Поток Ф от формы поверхности не зависит. Он также не зависит от расположения зарядов внутри поверхности. Это значит, что полученный результат справедлив не только для одного заряда, но и для какого угодно числа произвольно расположенных зарядов, если только подразумевать под q алгебраическую сумму всех зарядов, находящихся внутри поверхности.

Теорема Гаусса: поток электрической индукции через любую замкнутую поверхность равен алгебраической сумме всех зарядов, находящихся внутри поверхности: .

Из формулы видно, что размерность электрического потока такая же, как и электрического заряда. Поэтому единицей потока электрической индукции служит кулон (Кл).

Примечание: если поле неоднородно и поверхность, через которую определяют поток, не является плоскостью, то эту поверхность можно разбить на бесконечно малые элементы ds и каждый элемент считать плоским, а поле возле него однородным. Поэтому для любого электрического поля поток вектора электрической индукции через элемент поверхности есть: dФ =. В результате интегрирования полный поток через замкнутую поверхность S в любом неоднородном электрическом поле равен: , где q – алгебраическая сумма всех зарядов, окружённых замкнутой поверхностью S. Выразим последнее уравнение через напряжённость электрического поля (для вакуума): .

Это одно из фундаментальных уравнений Максвелла для электромагнитного поля, записанное в интегральной форме. Оно показывает, что источником постоянного во времени электрического поля являются неподвижные электрические заряды.

Применение теоремы Гаусса

Поле непрерывно распределённых зарядов

Определим теперь с помощью теоремы Остроградского-Гаусса напряжённость поля для ряда случаев.

1. Электрическое поле равномерно заряженной сферической поверхности.

Сфера радиусом R. Пусть заряд +q равномерно распределён по сферической поверхности радиуса R. Распределение заряда по поверхности характеризуется поверхностной плотностью заряда (рис.4). Поверхностной плотностью заряда называют отношение заряда к площади поверхности, по которой он распределён. . В СИ .

Определим напряжённость поля:

а) вне сферической поверхности,
б) внутри сферической поверхности.

а) Возьмём точку А, отстоящую от центра заряженной сферической поверхности на расстоянии r>R. Проведём через неё мысленно сферическую поверхность S радиуса r, имеющую общий центр с заряженной сферической поверхностью. Из соображения симметрии очевидно, что силовые линии являются радиальными прямыми перпендикулярными к поверхности S и равномерно пронизывают эту поверхность, т.е. напряжённость по всех точках этой поверхности постоянна по величине. Применим теорему Остроградского-Гаусса к этой сферической поверхности S радиуса r. Поэтому полный поток через сферу равен N = E? S; N=E. С другой стороны . Приравниваем: . Отсюда: при r>R.

Таким образом: напряжённость, создаваемая равномерно заряженной сферической поверхностью, вне её такая же, как если бы весь заряд находился в её центре (рис.5).

б) Найдём напряжённость поля в точках, лежащих внутри заряженной сферической поверхности. Возьмём точку В отстоящую от центра сферы на расстоянии . Тогда , E = 0 при r

2. Напряжённость поля равномерно заряженной бесконечной плоскости

Рассмотрим электрическое поле создаваемое бесконечной плоскостью, заряженной с плотностью , постоянной во всех точках плоскости. По соображениям симметрии можно считать, что линии напряжённости перпендикулярны к плоскости и направлены от неё в обе стороны (рис.6).

Выберем точку А, лежащую справа от плоскости и вычислим в этой точке, применяя теорему Остроградского-Гаусса. В качестве замкнутой поверхности выберем цилиндрическую поверхность таким образом, чтобы боковая поверхность цилиндра была параллельна силовым линиям, а его основания и параллельны плоскости и основание проходит через точку А (рис. 7). Рассчитаем поток напряжённости через рассматриваемую цилиндрическую поверхность. Поток через боковую поверхность равен 0, т.к. линии напряжённости параллельны боковой поверхности. Тогда полный поток складывается из потоков и проходящих через основания цилиндра и . Оба эти потока положительны =+; =; =; ==; N = 2 .

– участок плоскости лежащий внутри выбранной цилиндрической поверхности. Заряд внутри этой поверхности равен q.

Тогда ; – можно принять за точечный заряд) с точкой А. Для нахождения суммарного поля надо геометрически сложить все поля, создаваемые каждым элементом: ; .