Поток вектора напряжённости. Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме

Основные характеристики электростатического поля. Напряжённость и потенциал.

Электрическое поле характеризуется воздействием на электро заряженную частицу с силой пропорциональной заряда частицы и независящей от ее скорости.

Напряжённость

Напряжённость — векторная величина определяющая силу действующую на заряженную частицу или тело со стороныэлектрического поля и численно равная отношению силы к заряду частицы.

Е = F/Q [Н/Кл] или [B/M]

Напряжённость — это основная характеристика электрического поля которая измеряет интенсивность поля.

Направление вектора напряжённости совпадает с направлением силы действующей на частицу с положительным зарядом.

Электрическое поле называется однородным (равномерным) если напряжённость поля во всех точках одинаковое по величине и направлению.

Электрическое напряжение

Электрическое напряжение (U) — это работа (А) совершаемая силой поля по перемещению заряженных частиц между двумя точками поля.

U = A/q [Дж/Кл] или [В]

Потенциал

Потенциал (φ) — это энергетическая характеристика поля численно равная отношению потенциальной энергии заряженной частицы помещенной в данной точке поля величине её заряда.

φ = W/Q[В]

Геометрическое место поля с с одинаковым потенциалом называетсяэквипотенциальной поверхностью.

Поток вектора напряжённости. Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме.

Введем новую физическую величину, характеризующую электрическое поле – поток вектора напряженности электрического поля(Φ). Понятие потока вектора аналогично понятию потока вектора скорости при течении несжимаемой жидкости. Фактически поток вектора пропорционален числу линий напряженности, пронизывающих элементарную площадку ΔS.

Пусть в пространстве, где создано электрическое поле, расположена некоторая достаточно малая площадка ΔS. Произведение модуля вектора на площадь ΔS и на косинус угла α между вектором и нормалью к площадке называется элементарным потоком вектора напряженности через площадку ΔS:

,

где – проекция вектора на нормаль к площадке ; ‑ единичный вектор, перпендикулярный площадке .

Полный поток вектора напряженности сквозь поверхность в общем случае равен:

,

где . (Выбор нормали условен, но в случае замкнутых поверхностей принято брать наружу области, охватываемой этими поверхностями, т. е. выбирать внешнюю нормаль). Единица измерения потока ‑ В·м.

Рассмотрим теперь некоторую произвольную замкнутую поверхность S. Если разбить эту поверхность на малые площадки ΔS_i, определить элементарные потоки поля через эти малые площадки, а затем их просуммировать, то в результате мы получим поток Φ вектора через замкнутую поверхность S

Немецким ученым К. Гауссом (1777—1855) была доказана теорема, определяющая поток вектора напряженности электрического поля сквозь произвольную замкнутую поверх­ность.

В соответствии с выводами предыдущего раздела, поток вектора напряженности сквозь сферичес­кую поверхность радиусаr, охватывающую точечный заряд Q, находящийся в ее центре, будет равен

Этот результат справедлив для замкнутой поверхности любой формы.

Действительно, если окружить сферу произвольной замкнутой поверхностью, то каждая линия напряженности, пронизывающая сферу, пройдет и сквозь эту поверхность.

Если замкнутая поверхность произвольной формы охватывает заряд (рисунок слева), то при пересечении любой выбранной линии напряженности с поверхностью она то входит в нее, то выходит из нее.

Если замкнутая поверхность не охватывает заряда, то поток сквозь нее равен нулю, так как число линий напряженности, входящих в поверхность, равно числу линий напряженности, выходящих из нее.

Таким образом, для поверхности любой формы, если она замкнута и заключает в себя точечный заряд Q, поток вектора Е будет равен Q/e₀, т. е. теорема Гаусса не теряет справедливости.

Рассмотрим общий случай произвольной поверхности, окружающей nзарядов.

Вводя суммирование под знак интеграла, записываем, что

Согласно закону Гаусса, каждый из интегралов, стоящий под знаком суммы, равен Q_i/e₀.Следовательно,

Полученная формула выражает теорему Гаусса для электростатического поля в вакууме:

поток вектора напряженности электростатического поля в вакууме сквозь произ­вольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности зарядов, деленной на e₀.

В общем случае электрические заряды могут быть размещены с некоторой объемной плотностью r=dQ/dV.. Тогда суммарный заряд, заключенный внутри замкнутой поверхности S, охватывающей некоторый объем V,

Используя эту формулу, теорему Гаусса можно записать так