Применение теоремы Гаусса для расчета электрических полей

Практический интерес представляют поля, созданные длинной равномерно заряженной проволокой (цилиндром) радиусом R, бесконечной плоской пластины из металла или диэлектрика, сферической поверхности и диэлектрическим шаром.

Так как заряженные тела содержат весьма большое количество элементарных зарядов, то распределение заряда на них можно считать непрерывным. Это позволяет ввести понятие плотности электрического заряда:

, (1. 16)

где l – линейная плотность заряда, D l – элемент длины заряженной проволоки,

D q – элементарное количество заряда, приходящего на D l;

, (1. 17)

где s – поверхностная плотность заряда, D S – элемент поверхности, на котором имеется заряд D q;

, (1. 18)

где r – объемная плотность заряда, D V – элемент объема, содержащий заряд D q.

Теорема Гаусса позволяет рассчитать напряженности полей, создаваемые выше перечисленными заряженными телами.

Поле равномерно заряженной с плотностью t бесконечно длинной проволоки радиуса R (рис. 1.8). В силу симметрии линии напряженности данного поля направлены по нормалям к боковой поверхности проволоки (по радиусам) и на одинаковых расстояниях от нее напряженность поля одинакова по модулю (в противном случае равновесие зарядов на проволоке будет нарушено). Поэтому поверхность интегрирования S удобнее всего выбрать в виде коаксиального цилиндра радиусом r и высотой l, при этомпоток через основание отсутствует. Таким образом

,

где – заряд, охватываемый поверхностью S. Откуда

. (1. 19)

Согласно (1. 19), поле бесконечно длинной проволоки (провода) с равномерной плотностью заряда l обратно пропорционально расстоянию от проволоки. На поверхности проволоки имеем:

.

Поле равномерно заряженной с плотностью s бесконечной плоскости. Из соображений симметрии, очевидно, что линии напряженности данного поля направлены перпендикулярно к плоскости. В качестве поверхности интегрирования S выберем цилиндрическую поверхность с образующими, перпендикулярными к плоскости, и основаниями площадью DS параллельными ей (рис. 1.9). Поток поля через боковую поверхность равен нулю (линии напряженности параллельны боковой поверхности). Поток через основания цилиндрической поверхности по теореме Гаусса равен

,

откуда напряженность поля заряженной плоскости равна

. (1. 20)

Таким образом, поле заряженной бесконечной плоскости однородно, т.е. во всех точках поля вектор напряженности имеет одинаковое направление и одинаковую величину.

Поле двух параллельных разноименно заряженных с поверхностной плотностью s бесконечных плоскостей. Из рис. 1.10 видно, что напряженность поля слева от положительно заряженной плоскости и справа от отрицательно заряженной, в силу принципа суперпозиции, равна нулю (поле отсутствует). Поле в пространстве между плоскостями равно

,

где Е ₊ и Е _- – напряженности полей, создаваемые положительно и отрицательно заряженными плоскостями, или

. (1.21)

Таким образом, поле между плоскостями является однородным.

Поле заряженной с поверхностной плотностью s сферы радиуса R.

Поле заряженной сферической поверхности обладает центральной симметрией, т.е. направление вектора Е совпадает с направлением радиуса r (рис. 1.11). Согласно теореме Гаусса, напряженность поля внутри сферы Е=0, так как внутри сферы нет зарядов. Для расчета поля вне сферы в качестве поверхности интегрирования выберем коаксиальную сферическую поверхность S радиуса r > R. По теореме (1. 15) имеем . Откуда

. (1. 22)

. (23)