Тема 1 ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ 1 1

Тема 1. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ 1. 1. Электрический заряд. Закон сохранения заряда 1. 2. Взаимодействие электрических зарядов в вакууме. Закон Кулона 1. 3. Электростатическое поле. Напряженность поля 1. 4. Сложение электростатических полей. Принцип суперпозиции 1. 5. Электростатическое поле диполя 1. 6. Взаимодействие диполей 1

• Электрические заряды не существуют сами по себе, а являются внутренними свойствами элементарных частиц – электронов, протонов и др. • Опытным путем в 1914 г. американский физик Р. Милликен показал что электрический заряд дискретен. Заряд q любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда : q = n×e.

Закон сохранения заряда – один из фундаментальных законов природы, сформулированный в 1747 г. Б. Франклином и подтвержденный в 1843 г. М. Фарадеем: алгебраическая сумма зарядов, возникающих при любом электрическом процессе на всех телах, участвующих в процессе равна нулю. Суммарный электрический заряд замкнутой системы не изменяется.

Частным случаем электродинамики является электростатика, представляющая собой учение о взаимодействии электрических зарядов. Основу электростатики составляют: - закон сохранения заряда; - закон Кулона; - принцип суперпозиции полей. 4

1. 1. Электрический заряд Электростатика – раздел, изучающий статические (неподвижные) заряды и связанные с ними электрические поля. Перемещение зарядов либо отсутствует, либо происходит так медленно, что возникающие при движении зарядов магнитные поля ничтожны. 5

Сила взаимодействия между зарядами определяется только их взаимным расположением. Следовательно, энергия электростатического взаимодействия – потенциальная энергия. 6

• Несмотря на обилие различных веществ в природе, существуют только два вида электрических зарядов: заряды подобные тем, которые возникают на стекле, потертом о шелк – положительные заряды, подобные тем, которые появляются на янтаре, потертом о мех отрицательные • Назвал их так Бенджамин Франклин в 1746 г. 7

Франклин Бенджамин (1706 – 1790) американский физик, политический и общественный деятель. Основные работы в области электричества. Объяснил действие Лейденской банки, построил первый плоский конденсатор. Изобрел молниеотвод, доказал электрическую природу молнии и тождественность земного и атмосферного электричества. Разработал теорию электрических явлений – так называемую «унитарную теорию» . Работы относятся также к теплопроводности тел, к распространению звука в воде и воздухе и т. п. Является автором ряда технических изобретений. 8

Известно, что одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. Обратный эффект 9

• Если поднести заряженное тело (с любым зарядом) к легкому – незаряженному, то между ними будет притяжение – явление электризации легкого тела через влияние. • На ближайшем к заряженному телу конце появляются заряды противоположного знака (индуцированные заряды) это явление называется • электростатической индукцией. 10

• Таким образом, всякий процесс заряжения есть процесс разделения зарядов. • Сумма зарядов не изменяется, заряды только перераспределяются. 11

• Отсюда следует закон сохранения заряда – один из фундаментальных законов природы, сформулированный в 1747 г. Б. Франклином и подтвержденный в 1843 г. М. Фарадеем: • алгебраическая сумма зарядов, возникающих при любом электрическом процессе на всех телах, участвующих в процессе всегда равна нулю. 12

Закон сохранения заряда • суммарный электрический заряд замкнутой системы не изменяется. 13

• Электрические заряды не существуют сами по себе, а являются внутренними свойствами элементарных частиц – электронов, протонов и др. • Опытным путем в 1914 г. американский физик Р. Милликен показал что электрический заряд дискретен. 14

• Заряд q любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда : где n – целое число. 15

• Электрон и протон являются соответственно носителями элементарных отрицательного и положительного зарядов. 16

• Например, наша Земля имеет отрицательный заряд 6 * 105 Кл это установлено по измерению напряженности электростатического поля в атмосфере Земли. - 17

• Большой вклад в исследование явлений электростатики внес знаменитый французский ученый Ш. Кулон. • В 1785 г. он экспериментально установил закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов. 18

• Кулон Шарль Огюстен (1736 – 1806) – французский физик и военный инженер. Работы относятся к электричеству, магнетизму, прикладной механике. Сформулировал законы трения, качения и скольжения. Установил законы упругого кручения. Исходя из этого в 1784 г. Кулон построил прибор для измерения силы – крутильные весы и с помощью их открыл основной закон электростатики – закон взаимодействия электрических зарядов на расстоянии, названный в последствии его именем. 19

1. 2. Взаимодействие электрических зарядов в вакууме. • Точечным зарядом (q) называется заряженное тело, размеры которого пренебрежительно малы по сравнению с расстоянием до других заряженных тел, с которым оно взаимодействует. 20

Закон Кулона • сила взаимодействия точечных зарядов в вакууме пропорциональна величине зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. 21

• здесь k – коэффициент пропорциональности, зависящий от системы единиц. 0 22

• В системе СИ единица заряда 1 Кл = 1 А * 1 с • где ε 0 – электрическая постоянная; • 4π здесь выражают сферическую симметрию закона Кулона. 23

• Электрическая постоянная относится к числу фундаментальных физических констант и равна • Элементарный заряд в СИ: • Отсюда следует, что • Поскольку элементарный заряд мал, мы как бы не замечаем его дискретности (заряду 1 мк. Кл соответствует ~ 1013 электронов). 24

• В векторной форме закон Кулона выглядит так: • где F 1 – сила, действующая на заряд q 1 • F 2 – сила, действующая на заряд q 2 • r единичный вектор, направленный от положительного заряда к отрицательному. 25

• В электростатике взаимодействие зарядов подчиняется третьему закону Ньютона: силы взаимодействия между зарядами равны по величине и направлены противоположно другу вдоль прямой, связывающей эти заряды 26

• Если заряды не точечные, то в такой форме закон Кулона не годится – нужно разбить заряженное тело на элементарные части и проинтегрировать по объему. • Вся совокупность фактов говорит, что закон Кулона справедлив при 107 – 10 -15 м • Внутри ядра действуют уже другие законы, не кулоновские силы. 27

Закон Кулона в основных чертах подобен закону всемирного тяготения Ньютона, в соответствии с которым все тела притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной произведению их масс, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними и направленной вдоль прямой, соединяющей эти тела. 28

При всей внешней схожести формулировок этих законов между ними имеются серьезные различия. Качественное различие заключаются в том, что заряженные тела притягиваются или отталкиваются – в зависимости от знаков их зарядов, тогда как между массами существует только гравитационное притяжение. 29

Однако более существенным обстоятельством является количественный аспект, а именно: сила электростатического отталкивания двух электронов превышает силу их гравитационного притяжения в миллионы биллионов раз. 30

• Сила кулоновского притяжения между электроном и протоном в 39 раз атоме водорода в 10 больше их гравитационного взаимодействия. 31

1. 3. Электростатическое поле в вакууме. Напряженность электростатического поля Почему заряды взаимодействуют? Имела место борьба двух теорий: теория дальнодействия – Ньютон, Ампер теория близкодействия – Фарадей, Максвелл и т. д. • Для электростатического поля справедливы обе эти теории. • • 32

• Вокруг заряда всегда есть электрическое поле, основное свойство которого заключается в том, что на всякий другой заряд, помещенный в это поле, действует сила. • Электрические и магнитные поля – частный случай более общего – электромагнитного поля (ЭМП). • Они могут порождать друга, превращаться друг в друга. • Если заряды не движутся, то магнитное поле не возникает. 33

• ЭМП – есть не абстракция, а объективная реальность – форма существования материи, обладающая определенными физическими свойствами, которые мы можем измерить. • Не существует статических электрических полей, не связанных с зарядами, как не существует «голых» , не окруженных полем зарядов. 34

• Силовой характеристикой поля, создаваемого зарядом q является отношение силы, действующей на пробный заряд q’ , помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда, называемое напряженностью электростатического поля, т. е. 35

Силовая характеристикой поля – напряженность электростатического поля: q’ - пробный заряд 36

• Напряженность в векторной форме • здесь r – расстояние от заряда до точки, где мы изучаем это поле. • Тогда 37

• Вектор напряженности электростатического поля равен силе, действующей в данной точке на помещенный в нее пробный единичный положительный заряд. • Из данного определения следует, что напряженность может быть выражена как – ньютон на кулон (Н/Кл). • 1 Н/Кл – напряженность такого поля, которое на точечный заряд 1 Кл действует с силой в 1 Н. 38

• В СИ • размерность напряженности: 39

1. 4. Сложение электростатических полей. Принцип суперпозиции • Если поле создается несколькими точечными зарядами, то на пробный заряд q’ действует со стороны заряда qk такая сила, как если бы других зарядов не было. 40

• Результирующая сила определится выражением: • – это принцип суперпозиции или независимости действия сил 41

• т. к. то – результирующая напряженность поля в точке, где расположен пробный заряд, так же подчиняется принципу суперпозиции: • Это соотношение выражает принцип наложения или суперпозиции электрических полей и представляет важное свойство электрического поля. 42

Принцип наложения или суперпозиции электрических полей: • Напряженность результирующего поля, системы точечных зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, созданных в данной точке каждым из них в отдельности. 43

Пример 1 А • т. е. • задача симметрична 44

А • В данном случае: Следовательно, 45

• Рассмотрим другой пример. Найдем напряженность электростатического поля Е, создаваемую двумя положительными зарядами q 1 и q 2 в точке А, находящейся на расстоянии r 1 от первого и r 2 от второго зарядов 46

Воспользуемся теоремой косинусов: где 47

• Если поле создается не точечными зарядами, то используют обычный в таких случаях прием. Тело разбивают на бесконечно малые элементы и определяют напряженность поля, создаваемого каждым элементом, затем интегрируют по всему телу: • где – напряженность поля, обусловленная заряженным элементом. Интеграл может быть линейным, по площади или по объему в зависимости от формы тела. 48

• Для решения подобных задач пользуются соответствующими значениями плотности заряда: • – линейная плотность заряда, измеряется в Кл/м; • поверхностная плотность заряда измеряется в Кл/м 2; • – объемная плотность заряда, измеряется в Кл/м 3. 49

• Определим напряженность электрического поля в точке А на расстоянии х от бесконечно длинного, линейного, равномерно распределенного заряда. • λ – заряд, приходящийся на единицу длины. 50

• Считаем, что х – мало по сравнению с длиной проводника. Элемент длины dy, несет заряд dq = dy λ. Создаваемая этим элементом напряженность электрического поля в точке А: 51

• Вектор имеет проекции d. Ex и d. Ey причем • Т. к. проводник бесконечно длинный, а задача симметричная, то у – компонента вектора обратится в ноль (скомпенсируется), т. е. . 52

• Тогда • Теперь выразим y через θ. Т. к. • То 53

• Напряженность электрического поля линейно распределенных зарядов изменяется обратно пропорционально расстоянию до заряда. 54

• Определим напряженность поля, созданного зарядом q, равномерно распределенным по кольцу радиуса R в точке А, лежащей на оси кольца 55

1. 5. Электростатическое поле диполя • Электрическим диполем называется система двух одинаковых по величине, но разноименных точечных зарядов, расстояние между которыми значи –тельно меньше расстояния до тех точек, в которых определяется поле системы • Плечо диполя – вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному и численно равный расстоянию между зарядами. 56

А • Пример 1. Найдем Е в точке А на прямой, проходящей через центр диполя и перпендикулярной к оси. т. к. 57

• Из подобия заштрихованных треугольников можно записать: отсюда 58

• Обозначим вектор: – электрический момент диполя (или дипольный момент) – произведение положительного заряда диполя на плечо. • Направление совпадает с направлением , т. е. от отрицательного заряда к положительному. • Тогда, учитывая что , получим: или 59

• Пример 2. На оси диполя, в точке В : или 60

Поле в точках А 1 и А 2 отличается в два раза (по модулю). Направлено в противоположные стороны. Напряженность поля диполя убывает обратно пропорционально кубу расстояния от диполя до точки наблюдения, т. е. быстрее, чем поле точечного заряда.

• Пример 3. В произвольной точке С где При : 62

• Электрическое поле диполя. 63

• Из приведенных примеров видно, что напряженность электрического поля системы зарядов равна геометрической сумме напряженностей полей каждого из зарядов в отдельности (принцип суперпозиции). 64

Тема 2. ТЕОРЕМА ОСТРОГРАДСКОГО-ГАУССА 2. 1. Силовые линии электростатического поля 2. 2. Поток вектора напряженности 2. 1. Силовые линии электростатического поля 2. 3. Теорема Остроградского-Гауссанапряженности 2. 2. Поток вектора 2. 4. Дифференциальная форма теоремы Остроградского-Гаусса 2. 3. Теорема Остроградского-Гаусса 2. 5. Вычисление электростатических полей Остроградского-Гаусса 2. 4. Дифференциальная форма теоремы с помощью теоремы Остроградского - Гаусса 2. 5. Вычисление электростатических полей с помощью теоремы 2. 5. 1. Поле бесконечной однородно заряженной Остроградского-Гаусса плоскости 2. 5. 1. Поле бесконечной однородно заряженной плоскости 2. 5. 2. Поле двух равномерно заряженных плоскостей 2. 5. 3. Поле заряженного бесконечного цилиндра (нити) 2. 5. 3. Поле заряженного бесконечного цилиндра 2. 5. 4. Поле двух коаксиальных цилиндров с одинаковой линейной плотностью заряда, но разным знаком 2. 5. 5. Поле заряженного пустотелого шара 2. 5. 6. Поле объемного заряженного шара 8 февраля 2018 г. 65

2. 1. Силовые линии электростатического поля • Теорема Остроградского Гаусса, которую мы докажем и обсудим позже, устанавливает связь между электрическими зарядами и электрическим полем. Она представляет собой более общую и более изящную формулировку закона Кулона. 66

• Остроградский Михаил Васильевич (1801 – 1862) • отечественный математик и механик. Учился в Харьковском ун те (1816 – 1820), совершенствовал знания в Париже (1822 – 1827). • Основные работы в области математического анализа, математической физики, теоретической механики. Решил ряд важных задач гидродинамики, теории теплоты, упругости, баллистики, электростатики, в частности задачу распространения волн на поверхности жидкости (1826 г. ). Получил дифференциальное уравнение распространения тепла в твердых телах и жидкостях. Известен теоремой Остроградского Гаусса в электро статике (1828 г. ). 67

• Гаусс Карл Фридрих (1777 – 1855) немецкий математик, астроном и физик. • Исследования посвящены многим разделам физики. • В 1832 г. создал абсолютную систему мер (СГС), введя три основных единицы: единицу времени – 1 с, единицу длины – 1 мм, единицу массы – 1 мг. • В 1833 г. совместно с В. Вебером построил первый в Германии электромагнитный телеграф. • Еще в 1845 г. пришел к мысли о конечной скорости распростране ния электромагнитных взаимодействий. Изу чал земной магнетизм, изобрел в 1837 г. униполярный магнитометр, в 1838 г. – бифилярный. В 1829 г. • Сформулировал принцип наименьшего принуждения (принцип Гаусса). • Один из первых высказал в 1818 г. предположение о возможности существования неевклидовой геометрии. 68

• Основная ценность теоремы Остроградского Гаусса состоит в том, что она позволяет глубже понять природу электростатического поля и устанавливает более общую связь между зарядом и полем. 69

• силовые линии – это линии, касательная к которым в любой точке поля совпадает с направлением вектора напряженности 70

• Однородным называется электростатическое поле, во всех точках которого напряженность одинакова по величине и направлению, т. е. Однородное электростатическое поле изображается параллельными силовыми линиями на равном расстоянии друг от друга 71

В случае точечного заряда, линии напряженности исходят из положительного заряда и уходят в бесконечность; и из бесконечности входят в отрицательный заряд. Т. к. то густота силовых линий обратно пропорциональна квадрату расстояния от заряда 72

• Для системы зарядов, как видим, силовые линии направлены от положительного заряда к отрицательному 73

74

• Густота силовых линий должна быть такой, чтобы единичную площадку, нормальную к вектору напряженности пересекало такое их число, которое равно модулю вектора напряженности , т. е. 75

• если на рисунке выделить площадку то напряженность изображенного поля будет равна 76

2. 2. Поток вектора напряженности Полное число силовых линий, проходящих через поверхность S называется потоком вектора напряженности Ф через эту поверхность • В векторной форме можно записать • – скалярное произведение двух векторов, где вектор. 77

• Таким образом, поток вектора есть скаляр, который в зависимости от величины угла α может быть как положительным, так и отрицательным. 78

Для первого рисунка – поверхность А 1 окружает положительный заряд и поток здесь направлен наружу, т. е. Поверхность А 2 – окружает отрицательный заряд, здесь направлен внутрь. и Общий поток через поверхность А равен нулю. 79

2. 3. Теорема Остроградского-Гаусса • Итак, по определению, поток вектора напряженности электрического поля равен числу линий напряженности, пересекающих поверхность S. 8 февраля 2018 г. 80

• поток вектора напряженности через произвольную элементарную площадку d. S будет равен: • Т. е. в однородном поле • В произвольном электрическом поле 81

• Подсчитаем поток вектора через произвольную замкнутую поверхность S, окружающую точечный заряд q. Окружим заряд q сферой S 1. 82

• Центр сферы совпадает с центром заряда. Радиус сферы S 1 равен R 1. • В каждой точке поверхности S 1 проекция Е на направление внешней нормали одинакова и равна 83

Тогда поток через S 1 u 84

• Подсчитаем поток через сферу S 2, имеющую радиус R 2: 85

• Из непрерывности линии следует, что поток и через любую произвольную поверхность S будет равен этой же величине: • – теорема Гаусса для одного заряда. 86

• Для любого числа произвольно расположенных зарядов, находящихся внутри поверхности: • – теорема Гаусса для нескольких зарядов: • Поток вектора напряженности электрического поля через замкнутую поверхность в вакууме равен алгебраической сумме всех зарядов, расположенных внутри поверхности, деленной на ε 0. 87

Полный поток проходящий через S 3, охватывающую заряд q, равен нулю: не 88

• Таким образом, для точечного заряда q, полный поток через любую замкнутую поверхность S будет равен: – если заряд расположен внутри замкнутой поверхности; • – если заряд расположен вне замкнутой поверхности; • этот результат не зависит от формы поверхности, и знак потока совпадает со знаком заряда. • 89

• Электрические заряды могут быть «размазаны» с некоторой объемной плотностью различной в разных местах пространства: • Здесь d. V – физически бесконечно малый объем, под которым следует понимать такой объем, который с одной стороны достаточно мал, чтобы в пределах его плотность заряда считать одинаковой, а с другой – достаточно велик, чтобы не могла проявиться дискретность заряда, т. е. то, что любой заряд кратен целому числу элементар ных зарядов электрона или протона. 90

• Суммарный заряд объема d. V будет равен: • Тогда из теоремы Гаусса можно получить: • • – это ещё одна форма записи теоремы Остроградского-Гаусса, если заряд неравномерно распределен по объему. 91

2. 4. Дифференциальная форма теоремы Остроградского-Гаусса • Пусть заряд распределен в пространстве V, с объемной плотностью. Тогда 92

• Теперь устремим , стягивая его к интересующей нас точке. Очевидно, что при этом будет стремиться к ρ в данной точке, т. е. • Величину, являющуюся пределом отношения к V, при называют дивергенцией поля Е , 93

• • Дивергенция поля Е. • Аналогично определяется дивергенция любого другого векторного поля. • Из этого определения следует, что дивергенция является скалярной функцией координат. • В декартовой системе координат 94

Итак, Это теорема Остроградского-Гаусса в дифференциальной форме. Написание многих формул упрощается, если ввести векторный дифференциальный оператор (Набла) где i, j, k – орты осей (единичные векторы). 95

• Сам по себе оператор смысла не имеет. Он приобретает смысл в сочетании с векторной или скалярной функцией, на которую символично умножается: • дифференциальная форма теоремы Остроградского-Гаусса. 96

• В тех точках поля, где – источники поля (положительные заряды), • где заряды). – стоки (отрицательные • Линии напряженности выходят из источников и заканчиваются в стоках. 8 февраля 2018 г. 97

2. 5. Вычисление электрических полей с помощью теоремы Остроградского. Гаусса 1. Поле бесконечной однородно заряженной плоскости 98

Поверхностная плотность заряда на произвольной плоскости площадью S определяется по формуле: dq – заряд, сосредоточенный на площади d. S; d. S – физически бесконечно малый участок поверхности. 99

• Представим себе цилиндр с образующими, перпендикулярными плоскости, и основаниями ΔS, расположенными симметрично относительно плоскости • Тогда 100

• 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 : • 101

2. 5. 2. Поле двух равномерно заряженных плоскостей • Пусть две бесконечные плоскости заряжены разноименными зарядами с одинаковой по величине плотностью σ 102

• Результирующее поле, 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). 103

• Распределение напряженности электростатического поля между пластинами конденсатора показано на рисунке: 104

• Между пластинами конденсатора действует сила взаимного притяжения (на единицу площади пластин): т. е. 105

• Сила притяжения между пластинами конденсатора: где S – площадь обкладок конденсатора. Т. к. 106

2. 5. 3. Поле заряженного бесконечного цилиндра (нити) • Пусть поле создается бесконечной цилиндрической поверхностью радиуса R, заряженной с постоянной линейной плотностью • где dq – заряд, сосредоточенный на отрезке цилиндра 107

Представим вокруг цилиндра (нити) коаксиальную замкнутую поверхность (цилиндр в цилиндре) радиуса r и длиной l (основания цилиндров перпендикулярно оси). 108

• Для оснований цилиндров • для боковой поверхности т. е. зависит от расстояния r. • Следовательно, поток вектора через рассматриваемую поверхность, равен 109

• При на поверхности будет заряд • По теореме Остроградского Гаусса • Тогда • Если поверхности зарядов нет. , т. к. внутри замкнутой 110

• График распределения напряженности электростатического поля цилиндра 111

2. 5. 4. Поле двух коаксиальных цилиндров с одинаковой линейной плотностью λ, но разным знаком 112

u. Внутри меньшего и вне большего цилиндров поле будет отсутствовать u. В зазоре между цилиндрами, поле определяется так же, как в п. 2. 5. 3: 113

Таким образом для коаксиальных цилиндров имеем: • Это справедливо и для бесконечно длинного цилиндра, и для цилиндров конечной длины, если зазор между цилиндрами намного меньше длины цилиндров (цилиндрический конденсатор). 114

2. 5. 5. Поле заряженного пустотелого шара 115

• Вообразим вокруг шара – сферу радиуса r (рис). 116

• 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: 117

Как видно, вне сферы поле тождественно полю точечного заряда той же величины, помещенному в центр сферы. 118

2. 5. 6. Поле объемного заряженного шара • Для поля вне шара радиусом R получается тот же результат, что и для пустотелой сферы, т. е. справедлива формула: 119

• Внутри шара при сферическая поверхность будет содержать в себе заряд, равный • где ρ – объемная плотность заряда: объем шара: • • Тогда, по теореме Остроградского Гаусса: 120

• Т. е. внутри шара • • Т. е. , внутри шара имеем 121

Таким образом, имеем: поле объемного заряженного шара 122