Докажите графически что напряженность поля между двумя бесконечными параллельными плоскостями

Электростатика: элементы учебной физики

Лекция 5. Напряжённость электрического поля

Понятие электрического поля оказалось плодотворным потому, что удалось ввести количественные характеристики, которые позволяют решать конкретные физические задачи. К ним в первую очередь относятся напряжённость и потенциал электрического поля.

Экспериментальные исследования учащихся должны показать, что напряжённость реально может быть измерена и что эта величина действительно характеризует электрическое поле. Относительно новое для школьников – один и тот же прибор, электростатический динамометр, при соответствующей градуировке может быть использован в качестве измерителя и силы, и напряжённости. Однако это вовсе не значит, что этим прибором можно измерить любую электростатическую величину: ни при какой градуировке электростатического динамометра не удастся получить прибор, измеряющий, скажем, потенциал электрического поля.

Принципиально важно экспериментальное обоснование принципа суперпозиции электрических полей. Такое обоснование можно было бы осуществить уже при введении понятия электрического поля, но предпочтительнее сделать это, когда учащиеся будут ознакомлены с понятием напряжённости.

5.1. Напряжённость электрического поля. Силовой характеристикой электрического поля является вектор напряжённости электрического поля E, равный отношению вектора силы, действующей в данной точке поля на пробный положительный заряд, к величине этого заряда:

Напряжённость в системе единиц СИ выражается в ньютонах на кулон (Н/Кл).

5.2. Напряжённость электрического поля точечного заряда. Во многих задачах электростатики размерами заряженных тел по сравнению с расстояниями до точек наблюдения можно пренебречь. В таких случаях говорят о точечных зарядах. Понятно, что на самом деле никаких точечных зарядов или заряженных точек в природе не существует, — это просто удобная абстракция.

Закон Кулона, как вы знаете, справедлив именно для точечных зарядов. Непосредственно из закона Кулона следует, что модуль вектора напряжённости электрического поля точечного заряда Q:

где R – расстояние до точки наблюдения, q – пробный положительный заряд.

5.3. Силовые линии электростатического поля. Фарадей, который ввёл понятие электрического поля, внутренним взором видел заряды, окружённые полями. Изображать их он стал линиями, вдоль которых на пробный заряд со стороны поля действуют силы. Силовые линии электростатического поля часто называют линиями напряжённости, т.к. вектор напряжённости электрического поля в любой точке такой линии касателен к ней. Вместо пробного заряда для построения силовых линий удобнее использовать электрический диполь.

Введя в электрическое поле положительный пробный заряд на нити, по его отклонению от положения равновесия определим направление напряжённости поля. Уберём заряд и вместо него в ту же точку внесём диполь. При этом обнаружим, что он повернулся своим положительным полюсом в направлении вектора напряжённости электрического поля. Используя диполь, нетрудно экспериментально доказать, что электрическое поле можно характеризовать силовыми линиями, т.е. такими линиями, в каждой точке которых напряжённость поля является касательной к ним.

Для этого создадим произвольное электрическое поле, введём в него диполь и отметим положение его положительного и отрицательного полюсов. Переместим диполь так, чтобы его, например, отрицательный полюс совпал с точкой, в которой находился положительный. Многократно повторяя эту операцию, получим совокупность точек. Соединив эти точки плавной линией, получим силовую линию исследуемого электростатического поля.

Опыт показывает, что через каждую точку поля проходит только одна силовая линия. Если бы было не так, то в точке пересечения двух силовых линий одного поля на заряд действовали бы разные силы.

Повторяя описанные выше действия, построим семейство силовых линий так, чтобы их начальные точки находились на поверхности заряженного тела на равных расстояниях друг от друга. Обнаружим, что силовые линии располагаются с различной густотой. Внесём в поле пробный заряд на нити в области с максимальной и минимальной густотой силовых линий и обнаружим, что в этих областях напряжённость электрического поля соответственно максимальна и минимальна.

Силовые линии сгущаются возле зарядов, т.е. там, где модуль вектора напряжённости электрического поля больше. Значит, густота силовых линий определяется напряжённостью поля. Семейство силовых линий в принципе может полностью охарактеризовать электрическое поле.

Проделанные опыты показывают, что силовые линии начинаются или заканчиваются на зарядах, идут в бесконечность или выходят из неё. В электростатическом поле замкнутых силовых линий нет.

5.4. Принцип суперпозиции напряжённостей электростатических полей. Из принципа суперпозиции полей следует, что сила, действующая на пробный заряд со стороны других зарядов, равна геометрической сумме всех действующих на заряд сил по отдельности. Но если это так, то напряжённости электрических полей, равные отношениям сил к величине пробного заряда, складываются подобно силам.

Таким образом, для электрических полей справедлив принцип суперпозиции в следующей формулировке: напряжённость результирующего электрического поля есть геометрическая (векторная) сумма напряжённостей полей, создаваемых отдельными зарядами:

E = E₁ + E₂ + E₃ + … (5.3)

Применение принципа суперпозиции для напряжённостей позволяет существенно облегчить решение многих задач электростатики.

5.5. Поток вектора напряжённости электрического поля. Представим себе точечный положительный заряд Q, находящийся в центре сферической поверхности 1 радиусом r. В точках этой поверхности напряжённость электрического поля Так как площадь

поверхности сферы S = 4r 2 , то её произведение на напряжённость электрического поля не зависит ни от чего, кроме заряда:

поэтому характеризует электрическое поле в целом. Эта величина получила название потока вектора напряжённости электрического поля.

Поток напряжённости через концентрические сферические поверхности 1 и 2 одинаков. Так как он характеризует поле заряда в целом, нужно, чтобы он оставался тем же и для произвольной замкнутой поверхности 3. Но для неё вектор напряжённости уже не является нормалью к элементу поверхности. Поэтому для определения потока вектора E через элемент поверхности вместо площади этого элемента следует брать площадь его проекции на плоскость, перпендикулярную вектору E. Условимся поток считать положительным, если вектор напряжённости выходит из замкнутой поверхности, и отрицательным, если он входит в неё. Если заряд находится вне замкнутой поверхности 4, то поток напряжённости через неё равен нулю. Дело в том, что входящий внутрь области поток по модулю равен выходящему.

5.6. Теорема Гаусса. Мысленно переместим заряд из центра сферической поверхности в любую точку внутри неё. Очевидно, поток вектора напряжённости электрического поля от этого не изменится, т.к., по самому определению, он один и тот же для любой замкнутой поверхности, окружающей заряд. Разместим внутри этой поверхности не один, а несколько в общем случае различных зарядов. По принципу суперпозиции электрические поля этих зарядов не влияют друг на друга, значит, потоки, созданные каждым зарядом по отдельности, остаются неизменными. Результирующий поток, очевидно, равен сумме потоков от всех зарядов.

Это и есть теорема Гаусса: поток вектора напряжённости через произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме зарядов, расположенных внутри этой поверхности, делённой на электрическую постоянную:

Если алгебраическая сумма зарядов внутри замкнутой поверхности равна нулю, то поток напряжённости электрического поля через эту поверхность также равен нулю. Это понятно, поскольку положительные заряды внутри поверхности создают положительный поток, а отрицательные – равный ему по модулю отрицательный.

5.7. Поверхностная плотность заряда. Если проводящему телу сообщить заряд, то он будет распределён по его поверхности. В общем случае на участках поверхности одинаковой площади окажутся разные заряды. Отношение заряда Q к площади поверхности S, на которой он распределён, называется поверхностной плотностью заряда

Поверхностная плотность заряда выражается в кулонах на квадратный метр (Кл/м 2 ).

5.8. Напряжённость электрического поля заряженного шара. Используя теорему Гаусса, нетрудно определить напряжённость электрического поля, созданного заряженным проводящим шаром. Действительно, если на поверхности сферы радиусом r > R, центр которой совпадает с центром шара, равномерно распределён заряд Q, то поток вектора E через сферическую поверхность радиусом r, согласно теореме Гаусса, равен:

Отсюда напряжённость электрического поля на расстоянии r от центра заряженной сферы равна

Сравнивая (5.7) с (5.2), приходим к выводу, что напряжённость электрического поля заряженного шара равна напряжённости такого же точечного заряда, расположенного в центре шара.

5.9. Напряжённость электрического поля заряженной плоскости. Рассмотрим бесконечную плоскость, заряженную равномерно с поверхностной плотностью заряда . Электрическое поле такой поверхности однородно, причём силовые линии перпендикулярны поверхности. Чтобы найти напряжённость поля, воспользуемся теоремой Гаусса. Для этого построим замкнутую цилиндрическую поверхность, ось которой параллельна силовым линиям поля, а основания площадью S находятся по разные стороны от поверхности. Поток напряжённости через боковую поверхность цилиндра равен нулю, т.к. силовые линии её не пересекают. Поэтому полный поток напряжённости через выбранную поверхность равен сумме потоков через основания цилиндра: N = 2 • ЕS. Полный заряд внутри цилиндра равен Q = S. Согласно теореме Гаусса, Отсюда напряжённость электрического поля

Итак, напряжённость электрического поля заряженной плоскости равна поверхностной плотности заряда, делённой на удвоенное значение электрической постоянной.

5.10. Напряжённость электрического поля разноимённо заряженных параллельных плоскостей. Пусть некоторая плоскость заряжена равномерно с плотностью заряда . Параллельно этой плоскости расположим вторую, с такой же плотностью заряда противоположного знака. Найдём напряжённость электрического поля в этом случае.

Каждая плоскость создаёт поле напряжённостью E’ = /(2₀). Согласно принципу суперпозиции, напряжённость результирующего электрического поля равна сумме напряжённостей этих полей. Так как между плоскостями напряжённости полей имеют одинаковое направление, то результирующая напряжённость Е = 2E’:

Следовательно, напряжённость электрического поля между параллельными плоскостями, несущими равные по модулю разноимённые заряды, равна поверхностной плотности заряда одной из плоскостей, делённой на электрическую постоянную. Вне плоскостей векторы напряжённостей направлены противоположно и, поскольку их модули равны, поле вообще отсутствует. Обратите внимание, что не важно, проводят плоскости электричество или нет.

Исследование 5.1. Напряжённость электрического поля

Проблема. Возможна ли в доступном учебном эксперименте количественная оценка напряжённости электрического поля, создаваемого зарядами на наэлектризованных телах?

Задание. Используя электростатический динамометр, разработайте методику введения понятия напряжённости электрического поля и предложите прибор для измерения напряжённостей.

Вариант выполнения. Проводящему шару сообщите заряд, для определённости положительный. На пробный шарик электростатического динамометра (см. исследование 3.4) также нанесите некоторый заряд. Введите динамометр в электрическое поле заряженного шара и разверните так, чтобы его показания стали максимальны. Это означает, что пробный шарик электростатического динамометра отклоняется в ту же сторону, куда направлена сила, действующая на него со стороны электрического поля.

Прикоснитесь к пробному шарику таким же незаряженным шариком и уберите его: пробный заряд уменьшится в два раза, показания динамометра для того же расстояния до точки наблюдения тоже уменьшаются в два раза.

Повторяя опыт с разными зарядами, убедитесь, что отношение силы f, действующей на пробный заряд q, к величине этого заряда в данной точке поля остаётся постоянным, а при переходе от одной точки к другой, вообще говоря, меняется. Значит, это отношение может характеризовать электрическое поле. Оно и получило название напряжённости электрического поля. Шкалу электростатического динамометра, которым вы пользовались для измерения силы электростатического взаимодействия, можно отградуировать в единицах напряжённости. Тогда допустимо считать этот прибор измерителем напряжённости электрического поля. Градуировку нетрудно осуществить в единицах Н/Кл, если предварительно измерить величину пробного заряда (см. исследование 3.6).

Учащиеся должны понять, каким образом один и тот же прибор превратился из измерителя силы в измеритель напряжённости.

Исследование 5.2. Зависимость напряжённости электрического поля от радиуса заряженного шара

Задание. Разработайте демонстрационный эксперимент, который может служить обоснованием справедливости теоремы Гаусса для электростатических полей.

Зарядите стоящий на диэлектрической подставке небольшой проводящий шар. К нему подведите измеритель напряжённости электрического поля, пробный шарик которого несёт такой же по знаку заряд, как заряд, создающий исследуемое поле. Запомните отклонение стрелки измерителя.

Первый шар с зарядом опустите в полость второго проводящего шара значительно большего диаметра, установленного на диэлектрической подставке. Приближайте этот второй шар к пробному шарику измерителя напряжённости. Оказывается, когда центр второго шара совпадает с точкой, в которой находился центр первого шара, стрелка измерителя отклоняется на первоначальное число делений.

Отсюда следует, что независимо от радиуса заряженного шара на одном и том же расстоянии от его центра напряжённость электрического поля одна и та же. Тем самым теорема Гаусса получила подтверждение в демонстрационном эксперименте.

Понятно, что теорема Гаусса носит общий характер и, строго говоря, не нуждается в обоснованиях, подобных здесь рассмотренному. Но в дидактических целях такое обоснование совершенно необходимо, поскольку оно способствует укреплению в сознании учащихся неразрывной связи физической теории с объективной реальностью.

Исследование 5.3. Суперпозиция электрических полей

Информация. Чтобы убедиться в справедливости принципа суперпозиции электрических полей, нужно уметь определять не только модули сил, действующих на заряды, но и их направления. Делать это с помощью электростатического динамометра неудобно. Кроме того, он не позволяет графически изображать векторы сил. Если на нити подвесить лёгкое заряженное тело, то силу, действующую на него в электрическом поле, можно оценить по отклонению тела из положения равновесия. Но для измерения этого отклонения воспользоваться линейкой не удастся: приближение её к заряженному телу вызывает изменение его положения. Чтобы устранить эту трудность, можно спроецировать заряженное тело на горизонтальную плоскость.

Задание. Разработайте и выполните эксперимент, доказывающий справедливость принципа суперпозиции электрических полей.

Вариант выполнения. К стеклянному баллону маленькой лампочки приклейте тонкую нить с лёгким проводящим шариком небольшого радиуса на конце. Нанесите на шарик пробный заряд. Лампочку закрепите над листом бумаги и включите её. На листе бумаги цифрой 0 отметьте положение тени от шарика, находящегося в положении равновесия. Приблизьте к пробному заряду заряд Q₁ и цифрой 1 отметьте на листе положение тени отклонившегося шарика. Уберите заряд Q₁ и вместо него вблизи пробного шарика расположите заряд Q₂. При этом тень от шарика займёт новое положение 2.

Верните заряд Q₁ в первоначальное положение. Теперь пробный шарик находится в поле сразу двух зарядов и отклоняется от положения равновесия так, что его тень занимает положение 3. Проанализируйте результат эксперимента. Очевидно, при смещении шарика из положения равновесия его тень смещается на величину, пропорциональную силе, действующей на шарик в новом положении равновесия (см. исследование 3.5). При малых отклонениях пробного шарика эту силу приближённо можно считать равной силе, действующей на шарик в исходном положении. Длины отрезков, соединяющих точку 0 с точками 1, 2 и 3, пропорциональны модулям соответствующих сил. Соединив указанные точки векторами, вы обнаружите, что вектор результирующей силы, действующей на пробный заряд, примерно равен сумме векторов сил, действующих на него со стороны каждого заряда по отдельности. Понятно, что точные измерения, выполненные с более совершенными приборами, вместо приближённого дадут точное равенство.

Поразительно единство природы: силы, созданные электрическими полями, складываются так же, как механические! Но если это так, то напряжённости электрических полей, равные отношениям сил к величине пробного заряда, складываются подобно силам. Оставив шары неподвижными, изменяйте их заряды в одинаковое число раз (см. п. 2.6). При этом вы обнаружите, что направление напряжённости результирующего поля остаётся неизменным.

Таким образом, принцип суперпозиции электростатических полей экспериментально обоснован.

Исследование 5.4. Демонстрация принципа суперпозиции напряжённостей

Проблема. Индивидуальный опыт, выполненный в результате предыдущего исследования, не позволяет убедиться в справедливости принципа суперпозиции напряжённостей электростатических полей всему классу непосредственно на уроке. Как решить эту проблему?

Задание. Учитывая возможности кодоскопа, разработайте демонстрационный вариант эксперимента, обосновывающего справедливость принципа суперпозиции, и методику проведения его на уроке.

Вариант выполнения. Из толстой алюминиевой проволоки в изоляции выгните специальный штатив высотой примерно 30 см и поставьте его на конденсор кодоскопа. К верхнему концу штатива привяжите конец тонкой нейлоновой нити длиной примерно 20 см. На нижнем конце нити закрепите шарик диаметром около 3 мм из тонкой алюминиевой фольги. На конденсор кодоскопа на стойках высотой 10 см, изготовленных из полиэтиленовых трубок, поставьте пенопластовые шары диаметром 15–20 мм, обёрнутые тонкой фольгой. Основания стоек лучше сделать из прозрачного оргстекла.

Уберите с конденсора стойки с шарами, включите осветитель кодоскопа и на классной доске получите изображение висящего на нити пробного шарика. Одноимёнными зарядами зарядите пробный шарик и два шара на стойках. На доске мелом отметьте положение пробного шарика. Поставьте на конденсор один из заряженных шаров, отметьте его положение и положение пробного шарика. Уберите первый заряженный шар и в произвольное место поставьте второй, отметив на доске новое положение пробного шарика. Верните в первоначальное положение первый шар, обозначьте результирующее положение пробного шарика, мелом на доске нарисуйте соответствующие векторы сил и предложите учащимся сделать вывод из продемонстрированного опыта.

Исследование 5.5. Плотность заряда на поверхности проводника

Задание. Докажите, что плотность заряда на поверхности проводника, вообще говоря, различна.

Вариант выполнения. Зарядите расположенный на изолирующей подставке проводник цилиндрической формы с остриём и коническим углублением. Пробным шариком на изолирующей ручке, предварительно заземлённым, коснитесь цилиндрической поверхности проводника и поместите его внутрь полого шара, соединённого с электрометром. Если угол отклонения стрелки мал, повторите перенос заряда несколько раз. Запомните показания электрометра, разрядите его и пробный шарик. Попробуйте снять заряд из конического углубления в поверхности проводника, и вы убедитесь, что там он практически отсутствует. Повторите опыт, касаясь пробным шариком теперь уже точки поверхности, расположенной на острие проводника. В этом случае угол отклонения стрелки электрометра будет значительно больше, чем в первом опыте. Так как вблизи острия пробный шарик заряжается до большей величины, то в этой области плотность распределения заряда по поверхности проводника больше.

Зарядите металлический диск, закреплённый за изолирующую ручку в штативе. Проведя опыты, аналогичные описанным, покажите, что плотность заряда во всех точках плоской поверхности диска вдали от его края одинакова, а на краю возрастает.

Исследование 5.6. Напряжённость электрического поля вблизи заряженного проводника

Задание. Поставьте опыт, показывающий, что напряжённость электрического поля вблизи заряженного проводника определяется поверхностной плотностью заряда.

Вариант выполнения. Вблизи проводника сложной формы расположите электростатический динамометр и перемещайте его так, чтобы расстояние до поверхности проводника оставалось постоянным, а сила действовала на шарик динамометра по нормали к поверхности. Опыт должен показать, что там, где на поверхности проводника плотность заряда больше, вблизи этой поверхности больше и напряжённость электрического поля (см. исследование 5.5). Проанализируйте полученные результаты и сделайте соответствующие выводы.

Исследование 5.7. Электрическое поле вблизи заряженных плоскостей

Задание. Прямым экспериментом подтвердите, что равномерно заряженная плоскость даёт электрическое поле по обе стороны от неё, а две параллельно установленные плоскости, несущие равные заряды противоположных знаков, создают электрическое поле только в области между ними.

Вариант выполнения. На нитях подвесьте два одинаковых обёрнутых алюминиевой фольгой пенопластовых шарика так, чтобы они касались металлического диска с противоположных сторон. Зарядите диск от пьезоэлектрического или иного источника. При этом шарики отойдут от диска на равные расстояния, свидетельствуя о том, что электрическое поле существует по обе стороны от заряженного диска.

Точно такой же диск зарядите равным по модулю и противоположным по знаку зарядом. Постепенно приближайте второй диск к первому так, чтобы они оставались параллельными. Вы заметите, что отклонение шарика, находящегося вне дисков, уменьшается, а находящегося между дисками – увеличивается. Наконец, первый шарик касается диска, показывая, что поле вне дисков практически исчезло, а второй шарик отклоняется на угол, примерно в два раза превышающий первоначальный.

Исследование 5.8. Точное подтверждение закона Кулона

На диэлектрической стойке закрепите металлический шар и заключите его между двумя проводящими полусферами, одна из которых имеет отверстие. Через отверстие проводником на изолированной нити соедините шар с полусферами. Зарядите полусферы. За нить удалите проводник. Разомкнув шар и полусферы, разведите полусферы в стороны, разрядите их, а к шару подсоедините чувствительный электрометр: никакого заряда на шаре вы не обнаружите. Значит, эксперимент ещё раз показывает, что на проводнике, находящемся внутри другого проводника, заряда нет.

Это справедливо потому, что справедлив закон Кулона. Действительно, внутри проводящей равномерно заряженной сферы выберем произвольную точку А и вертикальными конусами вырежем на сфере площадки S₁ и S₂. Из геометрии известно, что Но эти площадки имеют заряды, пропорциональные их величинам: Небольшие площадки создают в точке А поля напряжённостями и отношение которых

Значит, поскольку напряжённости полей, созданных любыми подобными парами площадок на сфере, равны по модулю и противоположно направлены, результирующая напряжённость поля, созданного в точке А всей заряженной сферой, должна быть равна нулю.

Это и показывает эксперимент. Если бы на опыте был обнаружен хотя бы слабый заряд на внутреннем шаре, то оказалась бы неверной формула для напряжённости поля точечного заряда (5.2) и, следовательно, в законе Кулона (3.1) сила взаимодействия между зарядами не была бы обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Так как заряд можно измерить с гораздо более высокой точностью, чем силу взаимодействия между зарядами, а из закона Кулона следует, что поле внутри тела отсутствует независимо от его формы, то рассмотренный эксперимент корректнее доказывает справедливость закона Кулона, чем ранее описанные опыты.

Задание. Разработайте и поставьте доступный вариант рассмотренного эксперимента, с максимальной убедительностью показывающий, что внутри заряженного полого проводника электрическое поле отсутствует.

Вариант выполнения. Чтобы обнаружить электрическое поле, можно воспользоваться явлением электростатической индукции. Внесём в поле два соприкасающихся проводящих тела на изолированных ручках. В них произойдёт перераспределение зарядов. Не удаляя из поля, разъединим эти тела – на них останутся заряды противоположных знаков. Эти заряды можно измерить электрометром, находящимся вне исследуемого поля.

Эксперимент можно поставить так. На подставке из диэлектрика закрепите полый металлический шар. Проводником в хорошей изоляции соедините его с одним из кондукторов электрофорной машины. К шару приблизьте второй кондуктор и приведите машину в действие. При этом возникнут мощные искровые разряды длиной до 10 см. Аккуратно введите внутрь шара одинаковые металлические пластинки на ручках из оргстекла. Приведите пластинки в соприкосновение, затем разъедините, аккуратно достаньте из полости шара и по очереди введите в шар электрометра. Вы обнаружите, что никакого заряда на пластинках нет! Значит, внутри проводящего шара электрическое поле отсутствует, несмотря на то, что шар в целом несёт значительный заряд, сообщаемый ему работающей электрофорной машиной. Повторите опыт, прикоснувшись пробным шариком изнутри к металлу заряженного шара, – вы вновь не обнаружите никакого заряда. Таким образом, весь электрический заряд сосредоточен на поверхности проводящего тела. Объясняется этот результат тем, что справедлив закон Кулона. В свою очередь, этот экспериментальный факт с высокой точностью подтверждает справедливость закона Кулона.

Вопросы для самоконтроля

1. В чём суть методики введения и формирования понятия напряжённости электрического поля?

2. Сравните метод построения силовых линий посредством диполя с методом визуализации электростатического поля мелким порошком, взвешенным в жидком диэлектрике.

3. Изложите методику демонстрации на уроке принципа суперпозиции электростатических полей.

4. Каким экспериментом можно подтвердить справедливость теоремы Гаусса?

5. Как зависят плотность заряда и напряжённость электрического поля от формы проводника?

6. Предложите демонстрационный опыт, прямо показывающий зависимость плотности заряда от площади проводника.

7. В чём дидактическая ценность опыта с обнаружением электрического поля вблизи одной и двух параллельных заряженных проводящих пластин?

8. Нужно ли в школе рассматривать метод точного подтверждения закона Кулона?

Бутиков Е.И., Кондратьев А.С. Физика: Учеб. пособие: В 3-х кн. Кн. 2. Электродинамика. Оптика. – М.: Физматлит, 2004.

Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах средней школы: Т. 2. Электричество. Оптика. Физика атома: Под ред. А.А.Покровского. – М.: Просвещение, 1972.

Кабардин О.Ф., Орлов В.А., Эвенчик Э.Е. Физика: Учеб. для 10 кл. шк. и кл. с углубл. изуч. физики: Под ред. А.А.Пинского. – М.: Просвещение, 1997.

Учебное оборудование для кабинетов физики общеобразовательных учреждений: Под ред. Г.Г.Никифорова. — М.: Дрофа, 2005. (Cм. также «Физика» («ПС») № 10/2005; № 4/2007.)

Продолжение см. в № 22/07

Напряженность электростатического поля

где — сила, действующая на точечный положительный заряд , помещенный в данную точку поля; — потенциальная энергия этого заряда.

Напряженность и потенциал поля, создаваемого системой зарядов (принцип суперпозиции электростатических полей)

где — напряженность и потенциал в данной точке поля, создаваемого -м зарядом.

Напряженность и потенциал поля, создаваемого точечным зарядом

где — расстояние от заряда до точки поля, в которой определяется напряженность и потенциал.

Напряженность и потенциал поля, создаваемого проводящей (металлической) заряженной сферой радиусомна расстоянии от центра сферы:

где — заряд сферы.

Напряженность поля, создаваемого бесконечно длинной равномерно заряженной нитью или бесконечно длинным цилиндром (вне цилиндра),

где — линейная плотность заряда; — расстояние от нити или от оси цилиндра до точки, в которой вычисляется напряженность электростатического поля (внутри цилиндра ).

Напряженность поля, создаваемого бесконечной равномерно заряженной плоскостью,

где — поверхностная плотность заряда.

Связь потенциала и напряженности электростатического поля:

а) в общем случае
б) в случае радиальной или сферической симметрии электростатического поля

в) в случае однородного поля

где — расстояние между точками с потенциалами и

Графическое изображение электростатических полей.

Электростатические поля принято изображать при помощи силовых линий вектора напряженности.

— вектор напряженности направлен по касательной к силовой линии;
— стрелка на силовой линии указывает направление действия поля на положительный заряд;
— силовые линии начинаются и заканчиваются на электростатических зарядах (или в бесконечности);
— густота силовых линий прямо пропорциональна модулю вектора напряженности .

Поток вектора напряженности электростатического поля через любую замкнутую поверхность (теорема Остроградского — Гаусса)

где — суммарный электрический заряд, заключенный внутри замкнутой поверхности .

где — потенциал уединенного проводника (при условии, что в бесконечности потенциал проводника принимается равным нулю); — разность потенциалов между обкладками конденсатора.

Электроемкость плоского конденсатора

где — площадь одной пластины конденсатора; — расстояние между пластинами; — диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между пластинами.

Электроемкость сферического конденсатора

где и — радиусы двух концентрических сфер; — диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между сферами.

Электроемкость цилиндрического конденсатора

где и — радиусы двух коаксиальных цилиндров; — высота цилиндров; — диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между цилиндрами.

Задание 1.

Рассчитать напряженность и потенциал электростатического поля равномерно заряженный сферической поверхности для точек внутри сферы, на ее поверхности и вне сферы на заданных расстояниях от ее центра.

Построить графики зависимостей напряженности и потенциала от расстояния от центра сферы для обеих сред.

С помощью силовых линий вектора напряженности графически изобразить электростатическое поле равномерно заряженной сферы и доказать, что аналитическое представление электростатического поля совпадает с графическим.

Выведем формулу напряжённости поля для точек, расположенных внутри сферы и вне нее на расстояниях r от ее центра.

1. Для точки, которая лежит внутри сферы, рассмотрим применение теоремы Гаусса для сферы с радиусом :

По сколько в сферу радиуса r не попадает заряд, так как он по условию задачи распределён на поверхности сферы радиуса R, то: .

2. Для точки, лежащей на поверхности сферы (r=R):

3. Для точки, которая лежит вне сферы (r>R):

Выведем формулу потенциала поля для точек, расположенных внутри сферы и вне нее на расстояниях r от ее центра

Для точки, лежащей вне сферы (r>R):

Поле вне сферы (r>R) совпадает с полем точечного заряда, поэтому в этой области потенциалы сферы и точечного заряда также совпадают.

Расчёт напряжённости и потенциала проведём для двух случаев:

Аналогично проведем расчёты для других значений расстояния r и занесём их в таблицу:

Построим графики зависимостей напряженности и потенциала электрического поля от расстояния до центра сферы r для обоих случаев.

График зависимости напряжённости электрического поля E(r) от расстояния r до центра сферы в случае, когда сферы находятся в средах с диэлектрической проницаемостью (1 = 1) и (2 = 5,00):

График зависимости потенциала ц(r) от расстояния r до центра сферы для двух сред:

Построили графики зависимостей напряженности и потенциала электрического поля от расстояния r до центра сферы для обоих случаев. Зависимость E(r) и ц(r) от обратно пропорциональная, потому чем больше диэлектрическая проницаемость, тем меньше напряжённость электрического поля и его потенциал.

Эскиз нашего рисунка имеет такой вид, где стрелками обозначены силовые линии, которые выходят из шара. В действительности их гораздо больше. Они все направлены по линии радиуса шара и соответственно чем дальше от источника тем напряжённость меньше. Это просто объяснить, т.к. вблизи шара плотность силовых линии больше, чем на дальних расстояниях.

Выводы по заданию: Рассчитала напряженность и потенциал электростатического поля равномерно заряженный сферической поверхности, построила графики зависимостей напряженности и потенциала электрического поля от расстояния r до центра сферы для обоих случаев. Зависимость E(r) и ц(r) от обратно пропорциональная, потому чем больше диэлектрическая проницаемость, тем меньше напряжённость электрического поля и его потенциал, с помощью силовых линий вектора напряженности графически изобразила электростатическое поле равномерно заряженной сферы.

Задание 2.

Шар радиусом равномерно заряжен с объемной плотностью . Используя теорему Остроградского — Гаусса, вывести формулу зависимости напряженности электрического поля от расстояния r от центра шара для случая, когда

Построить график зависимости для случая, когда

Определить разность потенциалов между двумя точками, лежащими внутри шара на расстояниях и от его центра.

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

Объемно заряженный шар при r>R ведёт себя так же, как и сфера, и для него справедливы выражения:

При r > R поле убывает с расстоянием r по такому же закону, как у точечного заряда.

И так напряженность поля внутри шара

Рассчитаем теперь потенциал внутри шара. Так как , то тогда:

Построим график зависимости для случая, когда , используя таблицу

Разность потенциалов между точками на расстоянии r1 и r2 рассчитаем, пользуясь формулой (2):

— разность потенциалов между точками на расстоянии r1 и r2

Вывод по заданию: Вывела формулу зависимости напряженности электрического поля от расстояния r от центра шара для случая, когда Построила график зависимости для случая, когда График имеет линейную зависимость, определила разность потенциалов между двумя точками. электростатический поле заряд конденсатор

Задание 3. Две коаксиальные цилиндрические поверхности (цилиндрический конденсатор) заряжены разноименно с одинаковой линейной плотностью.

Рассчитать напряженность электрического поля на расстояниях от оси цилиндров.

Построить графики зависимости напряженности электрического поля от расстояния от оси цилиндров, если пространство между цилиндрами заполнено: а) воздухом, б) диэлектриком.

Решение:

Для расчёта напряжённости поля в произвольной точке, находящейся на расстоянии r от оси цилиндра, проведём через эту точку цилиндрическую поверхность. Радиус этого цилиндра равен r, а его высота h.

Потоки вектора напряжённости через верхнее и нижнее основания цилиндра будут равны нулю, так как силовые линии не имеют составляющих, нормальных к поверхностям этих оснований. Во всех точках боковой поверхности цилиндра Е = const.

Следовательно, полный поток вектора E через поверхность цилиндра будет равен

. По теореме Гаусса, поток вектора E равен алгебраической сумме электрических зарядов, находящихся внутри поверхности (в данном случае цилиндра) делённой на произведение электрической постоянной е0 и относительной диэлектрической проницаемости среды е. И так:

где заряд той части воображаемого цилиндра, которая находится внутри цилиндрического конденсатора.

Отсюда напряжённость электрического поля

Аналогичные расчёты проведём для остальных значений r и запишем их в таблице:

Построим график зависимости напряжённости электрического поля Е от расстояния r от оси цилиндров, если пространство между цилиндрами заполнено воздухом, в первом случае, и диэлектриком, во втором:

Вывод по заданию: Были рассчитаны значения напряженности электрического поля на расстояниях от оси цилиндров, а так же построен график зависимости напряженности электрического поля от расстояния от оси цилиндров. Мы наглядно можем увидеть что, напряженность где пространство между цилиндрами заполнено воздухом больше чем, напряженность ,где пространство между цилиндрами заполнено диэлектриком.

Задание 4. Электростатическое поле создано двумя бесконечными параллельными плоскостями (пластинами), равномерно заряженными с поверхностными плотностями заряда и . Расстояние между плоскостями равно .

Найти разность потенциалов между пластинами.

Определить напряжённость электростатического поля между пластинами и вне пластин. Построить график изменения напряжённости электростатического поля.

Решение:

Напряженность равномерно заряженной плоскости рассчитывается по формуле

т.к. про диэлектрик ничего не сказано примем е=1(для воздуха).

Такая плоскость образует однородное поле, линии напряженности которой представляют собой прямые, перпендикулярные плоскости и направленные от плоскости, если заряд положительный.Согласно принципу суперпозиции, напряженность результирующего поля равна геометрической сумме напряженностей полей:

Напряженность равномерно заряженной плоскости рассчитывается по формуле

т.к. про диэлектрик ничего не сказано примем е=1(для воздуха);

Согласно принципу суперпозиции, напряженность результирующего поля равна геометрической сумме напряженностей полей:

Разность потенциалов между пластинами

График изменения напряжённости электростатического поля вдоль линий, перпендикулярной пластинам:

Вывод по заданию: Найдена разность потенциалов между пластинами, равная , Определила напряжённость электростатического поля построила график изменения напряжённости электростатического поля вдоль линии, перпендикулярной пластинам.

В результате выполнения расчетно-графической работы:

1) Провела самостоятельный поиск необходимой информации с использованием различных источников (учебных, справочных и научно-популярных изданий, ресурсов интернета)
2)На практике более подробно ознакомилась с такими понятиями и научилась вычислять такие физические величины как напряженность, потенциал, заряд, разность потенциалов электростатического поля.
3)Выполнила сравнительную оценку и сделала выводы по результатам работы
4)Использовала в решениях и представлении результатов (в виде графиков) основные программные средства.

1.7.2. Поле бесконечной равномерно заряженной плоскости

Пусть имеется бесконечная равномерно заряженная плоскость. Поверхностная плотность заряда равна .

Из симметрии системы следует, что поле должно быть симметричным относительно плоскости (это можно доказать примерно так же, как в предыдущем примере). Следовательно, вектор Е везде перпендикулярен плоскости и в одинаково удалённых от плоскости точках модули вектора Е одинаковы.

В этом случае в качестве поверхности интегрирования целесообразно выбрать цилиндр, ориентированный так, как показано на рисунке.

Поток вектора Е и здесь складывается из потока через боковую поверхность цилиндра и потока через торцы цилиндра: Ф = Ф_бок + 2Ф_торц.

Поток вектора напряжённости через боковую поверхность равен нулю, так как в силу симметрии поля вектор напряжённости дол-жен быть параллелен боковой поверхности и

Поток вектора напряжённости через торцевые поверхности , гдеr – радиус основания цилиндра.

Полный поток через оба торца цилиндра Ф = 2Еr 2 .

Суммарный заряд, охваченный поверхностью цилиндра, равен .

Отсюда и.

Полученное выражение показывает, что напряжённость поля, созданного бесконечной равномерно заряженной плоскостью, прямо пропорциональна поверхностной плотности заряда и не зависит от расстояния.

Обратите внимание: в этом случае напряжённость элект-рического поля на любых расстояниях от плоскости одинакова!

1.7.3. Поле двух параллельных равномерно заряженных плоскостей с одинаковым по величине и противоположным по знаку зарядом

Пусть имеются две параллельные плоскости, заряды которых одинаковы по величине и противоположны по знаку. Поверх-ностные плоскости зарядов соответственно равны  и -.

Напряжённость поля, созданного двумя плоскостями, в соответствии с принципом суперпозиции может быть найдена как векторная сумма напряжённостей, созданных каждой плоскостью в отдельности, Е = Е₁ + Е₂.

Напряжённости полей, созданных каждой из плоскостей, во всех точках пространства одинаковы по величине и противоположны по направ-лению (так как заряды плоскостей одинаковы по величине и противопо-ложны по знаку).

Это означает, что напря-жённость поля между плас-тинами равна удвоенной напряжённости поля, созданного одной пласти-ной, .

Напряжённость поля вне пластин равна нулю.

1.7.4. Поле равномерно заряженной сферы

Пусть имеется сфера радиуса r_о, по которой равномерно распределён заряд q.

Из симметрии системы следует, что поле должно быть сим-метрично относительно центра заряженной сферы. Следова-тельно, вектор Е во всех точках пространства направлен параллельно радиальным прямым и на равных расстояниях от центра сферы модули Е одинаковы.

В этом случае в качестве поверхности интегрирования целесообразно выбрать сферическую поверхность, центр которой совпадает с центром заряженной сферы.

Пусть радиус сферической поверхности меньше, чем радиус заряженной сферы. В этом случае суммарный заряд, охваченный поверхностью, равен нулю (так как внутри сферы зарядов нет, все заряды расположены на её поверхности).

Это означает, что внутри заряженной сферы поток вектора напряжённости через поверхность, радиус которой r_o>r>0, равен нулю.

Площадь поверхности отлична от нуля, поэтому поток может быть равен нулю лишь в том случае, если напряжённость поля внутри сферы равна нулю.

Следовательно, напряжённость электрического поля внутри заряженной сферы равна нулю Е(r_o  r > 0) = 0.

Пусть радиус поверхности интегрирования больше радиуса заряженной сферы. В этом случае суммарный заряд, охваченный поверхностью, равен заряду сферы q.

Если единичный вектор n направлен наружу от поверхности, то угол между n и Е во всех точках равен нулю (или 180 о , если заряд сферы отрицательный).

Отсюда следует, что.

Поскольку модуль вектора Е во всех точках выбранной поверхности одина-ков и площадь сферы равна , по-стольку поток вектора напряжённости электрического поля

В соответствием с теоремой Гаусса поток вектора Е пропорционален сумме зарядов, охваченных поверхностью:

Следовательно, напряжённость электрического поля, создан-ного заряженной сферой снаружи от неё, равна

Обратите внимание на то, что поле вне заряженной сферы совпадает с полем точечного заряда q (см. разд. 1.3).

1.5. Применение теоремы Гаусса для расчетов напряженности электрического поля

может быть успешно использована как эффективный инструмент расчета напряженности и потенциала электрического поля некоторого распределения заряда, когда стоящий слева интеграл может быть превращен в произведение площади поверхности, по которой производится интегрирование, на величину нормальной к поверхности составляющей вектора , то есть когда

Вполне очевидно, что для расчета вектора этого будет достаточно, во-первых, когда вектор перпендикулярен поверхности. Следовательно, поверхность интегрирования должна быть эквипотенциальной поверхностью рассчитываемого поля. Её форму надо знать заранее. Наконец, во-вторых, во всех точках этой — эквипотенциальной — поверхности нормальная к ней составляющая должна иметь одну и ту же величину, в противном случае, её нельзя будет вынести из-под знака интеграла и будет возможно найти лишь среднее на эквипотенциальной поверхности значение . Подчеркнем, что из факта эквипотенциальности поверхности, а именно, из того, что

вовсе не вытекает, что и

в точках этой поверхности. Забегая вперед, укажем, что, например, поверхность заряженного проводника при условии равновесного распределения заряда на нем всегда эквипотенциальна, но, если это не шар, а тело сложной формы, то в окрестности выступов (острий) напряженность поля может быть на порядки больше, чем в окрестности впадин на поверхности. Требование постоянства — отдельное требование.

Из сказанного выше вытекает, что теорема Гаусса в состоянии быстро и просто привести к результату (вектору ) лишь в том случае, когда создающее поле распределение заряда обладает высокой степенью симметрии, соответственно, заранее известна форма эквипотенциальных поверхностей поля и есть уверенность в том, что на этих поверхностях. Если всё это имеет место, то решение выглядит следующим простым образом:

Остается выбрать поверхность согласно симметрии распределения заряда и вычислить заряд внутри .

Сферическая симметрия

При сферически симметричном распределении заряда поле, создаваемое им, также сферически симметрично. Векторные (и скалярные) поля с такой симметрией принято также называть центральными полями. Центрально симметричное поле в общем случае можно записать в виде

Здесь — радиус-вектор, начинающийся в центре симметрии поля r — его модуль, — радиальная составляющая напряженности поля, зависящая только от расстояния до его центра симметрии. Потенциал такого поля зависит только от и

И, кроме того, как следует из , при произвольной нормировке потенциал поля имеет вид

Таким образом, условия применимости выполнены и мы можем воспользоваться этим соотношением.

Возьмем в качестве эквипотенциальную сферическую поверхность некоторого текущего радиуса r, её площадь . Виду предполагаемой непрерывности распределения заряда, для используем выражение:

где — объёмная плотность заряда. Опять-таки, учитывая сферическую симметрию распределения заряда — зависит только от , в качестве элемента объёма естественно взять бесконечно тонкий сферический слой с внутренним радиусом и внешним радиусом . Объём такого слоя , в результате получаем

Окончательно, для любого сферически симметричного распределения заряда, когда , получаем

Продолжение вычислений требует конкретизации вида зависимости плотности заряда от модуля радиус-вектора .

Поле однородно по объёму заряженного шара

Равномерное по объёму шара радиуса распределение заряда (рис. 1.41) означает, что его плотность заряда имеет вид

Рис. 1.41. Силовые линии электрического поля однородно заряженного шара

Не следует забывать, что по условию вне шара зарядов нет.

Поскольку в точке плотность заряда меняется скачком: предел «слева» отличен от нуля , а предел «справа» равен нулю , вычисление придется проводить в два этапа: сначала для сферической поверхности радиуса (она лежит внутри шара), а потом для сферической поверхности радиуса (она охватывает шар). В первом случае

растет линейно с ростом расстояния до центра шара, что объясняется просто: площадь поверхности , а заряд внутри неё

Во втором случае интеграл «обрезается сверху» при :

В последнем выражении учтено, что , где — полный заряд шара. Таким образом, вне шара его поле есть поле точечного заряда равного полному заряду шара и помещенного в центр этого шара:

Оба выражения можно объединить в одну формулу. Если использовать полный заряд шара , получим:

Если вместо полного заряда шара использовать в качестве параметр плотность заряда , эти формулы приобретут следующий вид (рис. 1.42):

Рис. 1.42. Распределение напряженности электрического поля однородно заряженного шара

Формулы и выражают одну и ту же зависимость, их удобство определяется тем, какие параметры заданы: или . Из этих формул наглядно видно, что на поверхности шара напряженность поля непрерывна, то есть не имеет разрыва. Это обусловлено тем, что в данном случае разрыв плотности заряда на поверхности шара первого рода — конечной величины: с на нуль. Поэтому, как в , так и в в верхней и в нижней формулах поставлены знаки нестрогих неравенств. В каких случаях напряженность поля может терпеть разрыв, будет ясно из следующего примера.

Потенциал поля легко найти, подставив, например, из в и выполнив интегрирование. Получаем:

где и — постоянные интегрирования, которые находятся из следующих соображений. Константа определяется из условия нормировки, например, на нуль на бесконечности

Откуда . Константа определяется из условия непрерывности потенциала на поверхности шара, то есть при :

Отметим, что требование непрерывности потенциала нередко называют «сшивкой» двух решений на границе раздела. В данном случае это граница раздела двух областей: областью, где есть заряд (внутри шара), и областью, где его нет (вне шара). Уже сейчас можно отметить, что потенциал непрерывен во всех случаях, кроме одного: так называемого «двойного слоя». Представьте поверхность, по одной стороне которой с плотностью распределен положительный заряд, а по другой стороне которой с плотностью распределен отрицательный заряд. Такая поверхность и называется двойным слоем, на этой поверхности потенциал терпит разрыв. Такую (плоскую) поверхность можно получить, неограниченно сближая две обкладки плоского конденсатора. То же самое можно проделать для конденсатора любой формы, например, сферического или цилиндрического. Во всех остальных случаях потенциал непрерывен.

Подставляя полученные значения констант интегрирования в , запишем окончательный результат в виде

При такой нормировке потенциал в центре шара отличен от нуля и равен

Полученные результаты иллюстрирует приведенный ниже рисунок 1.43.

Рис. 1.43. Напряженность (1) и потенциал (2) электрического поля равномерно заряженного шара радиусом R в единицах напряженности и потенциала на его поверхности (r = R)

Поле равномерно заряженной сферической поверхности

В данном случае равномерного распределения заряда по сферической поверхности, как и в предыдущем, имеет место сферическая симметрия, поэтому общие формулы, полученные выше, применимы и здесь. Однако относиться к ним необходимо с известной осторожностью по следующей причине. Входящая в правую часть объемная плотность заряда ведет себя в данном случае следующим интересным образом:

Рис. 1.44. Напряженность электрического поля равномерно заряженной сферы

Действительно, заряд имеется только на поверхности, то есть при , всюду внутри, то есть при и всюду снаружи, то есть при зарядов нет. То, что объемная плотность заряда в точках поверхности обращается в бесконечность (+∞ в случае положительного заряда и –∞ в случае отрицательного) можно показать следующим образом. На рисунке рядом изображен участок некоторой поверхности, по которой с поверхностной плотностью распределен заряд. Для определения величины объёмной плотности заряда в некоторой точке поверхности рассмотрим цилиндр (рис. 1.45), верхнее основание которого находится над поверхностью, а нижнее — под поверхностью. Площадь оснований цилиндра равна , высота — , объём . Заряд внутри цилиндра , объёмная плотность заряда по определению равна пределу отношения заряда, находящегося внутри некоторого объема, к величине этого объема при стремлении последнего к нулю (со всеми оговорками относительно объёма «физически бесконечно малого»). Получаем

Рис. 1.45. Плотность заряда на поверхности

Важно, что плотность на поверхности равна бесконечности. Функции такого рода (везде, кроме одной точки — нуль, а в этой единственной точке — бесконечность) относятся к классу так называемых обобщенных функций, называются функциями Дирака в честь физика Дирака, впервые введшего в обиход физики такую функцию для удовлетворения нужд квантовой механики. Мы не будем здесь подробно исследовать и использовать в расчетах такого рода функции. Наша цель показать, что рассмотрение формально бесконечно тонких заряженных поверхностей приводит к появлению у объёмной плотности заряда разрывов (бесконечных), что, в свою очередь, порождает бесконечные разрывы на такой заряженной поверхности у напряженности электрического поля. Подчеркнем, что потенциал поля при этом остается непрерывным.

Выход из положения прост. При всех используем первую из формул с , получаем, что всюду внутри однородно заряженной сферической оболочки поле отсутствует: . При всех справедлива вторая формула из . Как и в случае однородно по объёму заряженного шара, вне однородно заряженной сферической оболочки, её поле есть поле точечного заряда, помещенного в центр этой оболочки и равного её полному заряду. В данном случае, разумеется .

Окончательный результат такой:

На самой сферической поверхности напряженность поля в этом случае терпит разрыв. Зависимость радиальной компоненты поля от расстояния до центра сферической поверхности показана на рис. 1.46.

Рис. 1.46. Зависимость поля от расстояния до центра сферической оболочки

Зависимость потенциала от расстояния до центра сферической оболочки можно получить, интегрируя . При нормировке на нуль на бесконечности результат выглядит следующим образом:

Зависимость показана на рис. 1.47.

Рис. 1.47. Потенциал равномерно заряженной сферы

Однородное (равномерное) распределение заряда по бесконечно длинной цилиндрической поверхности (рис. 1.48) обладает цилиндрической, трансляционной и зеркальной симметрией. Это означает следующее. При повороте такого распределения заряда вокруг оси цилиндрической поверхности на любой угол оно совпадает само с собой. При сдвиге (переносе, трансляции) такого распределения заряда на любое расстояние вдоль оси симметрии оно также совпадает само с собой. И, наконец, если через любую точку на оси симметрии провести плоскость перпендикулярную к оси, и отразить в этой плоскости как в зеркале «верхнюю» часть распределения заряда, то отражение «верхней» части совпадет с «нижней» и наоборот, отражение «нижней» совпадет с «верхней». Другими словами, это распределение заряда инвариантно относительно указанных преобразований. Следовательно, и создаваемое этим распределением заряда электрическое поле должно быть инвариантно (совпадать само с собой) при указанных преобразованиях.

Рис. 1.48. Бесконечно длинная цилиндрическая поверхность

Введем цилиндрическую систему координат: ось направим по оси симметрии, — расстояние до оси симметрии, — азимутальный угол, угол поворота вокруг оси симметрии, — по-прежнему потенциал поля.

Из свойств симметрии вытекает, что потенциал поля не может зависеть ни от координаты — нарушится трансляционная симметрия, ни от координаты — нарушится осевая (цилиндрическая) симметрия. Остается только зависимость от — расстояния до оси цилиндра. Таким образом:

вектор напряженности электрического поля направлен по радиальным прямым, перпендикулярным оси симметрии (рис. 1.49), и его величина зависит только от расстояния до оси. Потенциальные поверхности представляют собой цилиндры соосные с заряженной цилиндрической поверхностью.

Рис. 1.49. Вектор напряженности электрического поля направлен по радиальным прямым

Используя эти обстоятельства, будем интегрировать в левой части теоремы Гаусса по замкнутой поверхности цилиндра с радиусом основания и высотой , соосного с рассматриваемой, заряженной цилиндрической поверхностью радиуса . Поток через основания цилиндра равен нулю ввиду того, что на основаниях , а поток через его боковую поверхность равен произведению на её площадь: . Соответственно, суммарный (через всю замкнутую поверхность рассматриваемого цилиндра) поток вектора равен

При , находящийся внутри цилиндра заряд, равен

где — линейная плотность заряда численно равная заряду, приходящемуся на единицу длины цилиндрической поверхности. Согласно теореме Гаусса

откуда для получаем

При внутри цилиндра, через поверхность которого вычисляется поток вектора , зарядов нет, и потому поле равно нулю. Объединяя эти два результата, получаем окончательно (рис. 1.50):

Ввиду поверхностного характера распределения заряда (см. подробнее предыдущий расчёт) на самой заряженной поверхности, то есть при радиальная компонента поля терпит разрыв.

Рис. 1.50. Напряженность электрического поля равномерно заряженной цилиндрической поверхности

Интегрирование (1.51) (см. также (1.49)), требование непрерывности потенциала при , и нормировка , приводят к следующей зависимости потенциала от расстояния до оси цилиндрической поверхности:

В данном случае, когда бесконечно большой по модулю заряд распределен по бесконечно длинному цилиндру, относится к тем случаям, когда нормировка на нуль на бесконечности лишена смысла. Как видно из (1.52), зависимость потенциала от расстояния до оси логарифмическая, нормировка на нуль на бесконечности, на языке формул (1.52), означает, что , но, тогда потенциал будет бесконечно большим по модулю на любом конечном расстоянии от оси заряженной поверхности, что лишено смысла. Выбор того конечного расстояния от оси симметрии, на котором удобно потенциал считать равным нулю трудностей не вызывает и обусловлен спецификой задачи. Например, ничто не мешает положить , тогда потенциал всюду внутри и на самой заряженной поверхности будет равен нулю.

Поле бесконечной равномерно заряженной плоскости

Пусть поверхностная плотность заряда равна . Такое распределение заряда по бесконечной плоскости характеризуется тем, что его вид не зависит от: а) поворота на любой угол вокруг любой оси перпендикулярной плоскости, б) сдвига на любое расстояние вдоль прямой лежащей в плоскости и любого направления. Наконец, в) отражение данного распределения заряда в зеркале, совпадающем с самой плоскостью, оставит его неизменным.

Из анализа симметрии достаточно очевидно, что потенциал в любой точке вне плоскости может зависеть только от расстояния от этой точки до плоскости. Направим ось декартовой системы координат перпендикулярно плоскости, а оси и пусть принадлежат самой плоскости, тогда

Причем, в силу зеркальной симметрии, поле «перед» плоскостью отличается от поля «за» плоскостью только направлением вектора . Это означает, что зависимость от должна быть нечетной, а зависимость потенциала от должна быть четной.

В силу этих соображений возьмём замкнутую поверхность — ту, для которой будем писать теорему Гаусса, — следующего вида (рис 1.51).

Рис. 1.51. Электрическое поле заряженной плоскости

Это цилиндр с боковой поверхностью перпендикулярной плоскости и с основаниями параллельными плоскости. Высота цилиндра , площадь оснований . Учитывая нечетность зависимости , основания цилиндра удобно расположить на одинаковом расстоянии от плоскости, тогда вклад оснований в поток будет одинаков. Напряженность поля на основаниях, во-первых, им перпендикулярна, во-вторых, сонаправлена с внешней нормалью, в-третьих, она одинакова во всех их точках по абсолютной величине

Вклад в поток вектора от боковой поверхности равен нулю, так как на боковой поверхности .

Поэтому полный поток через всю замкнутую цилиндрическую поверхность равен

Внутри рассматриваемой цилиндрической поверхности находится заряд

где — плотность заряда на плоскости. По теореме Гаусса

следовательно, модуль напряженности поля заряженной плоскости равен

Подчеркнём, что результат очевидным образом не зависит от того, на каком расстоянии от плоскости расположены основания рассмотренного цилиндра. Отсюда следует, что с каждой стороны от плоскости создаваемое ею электрическое поле однородно.

Используя введенную ранее ось перпендикулярную заряженной плоскости, поле с обеих сторон от плоскости можно описать одной формулой, пригодной при любом знаке заряда на плоскости

Интегрируя с учетом

для зависимости от потенциала поля плоскости нетрудно получить:

Потенциал в нормирован условием . Здесь, как и в примере с бесконечно длинной заряженной цилиндрической поверхностью, потенциал растет при удалении на бесконечность, поэтому нормировка на нуль на бесконечности лишена смысла.

Силовые линии поля заряженной плоскости показаны на рис. 1.52 и 1.53.

Рис. 1.52. Поле положительно заряженной плоскости

Рис. 1.53. Поле отрицательно заряженной плоскости

Поле плоского конденсатора

Определим напряженность поля, создаваемого двумя бесконечными параллельными плоскостями, заряженными однородно и разноименно. Плотности заряда на плоскостях по модулю одинаковы и равны, соответственно: и (идеальный плоский конденсатор). С помощью рис. 1.54 нетрудно сообразить, что в зазоре между плоскостями, создаваемые ими поля направлены в одну сторону, поэтому внутри суммарное поле в два раза больше поля от каждой из плоскостей. Снаружи от плоскостей создаваемые ими поля направлены в противоположные стороны, соответственно, суммарное поле от обеих плоскостей равно нулю (рис. 1.55).

Рис. 1.54. Электрическое поле плоского конденсатора

Рис. 1.55. Электрическое поле разноименно заряженных плоскостей

Рис. 1.56. Напряженность электрического поля разноименно заряженных плоскостей

В Дополнении 6 разобран пример с движением заряженной частицы в постоянном электрическом поле.

Потенциал поля заряженного диска

Как уже не раз отмечалось, зная потенциал поля точечного заряда и используя принцип суперпозиции, в принципе всегда, можно вычислить потенциал поля, создаваемого любым распределением зарядов.

Найдем для примера потенциал электрического поля, создаваемого на оси тонкого диска радиуса R, равномерно заряженного с поверхностной плотностью заряда (рис. 1.57). В силу осевой симметрии в точках на оси две перпендикулярных к оси составляющих напряженности поля равны нулю: , остается найти — составляющую поля, направленную вдоль оси.

Рис. 1.57. Вычисление потенциала на оси заряженного диска

Выделим на диске кольцо радиусом s и шириной ds (заштриховано на рис. 1.57). Площадь кольца равна и потому на нем сосредоточен заряд

Поскольку все элементы кольца находятся на одинаковом расстоянии

от точки наблюдения А, то потенциал , создаваемый кольцом в точке А, дается все той же формулой с заменой в ней на :

Полный же потенциал поля, создаваемый всем диском в точке A, равен сумме потенциалов от всех возможных колец с радиусами s, где 0 < s < R

При больших расстояниях от центра диска квадратный корень можно разложить в ряд, ограничившись первыми двумя членами разложения

тогда формула упрощается и, как и должно быть, превращается в формулу для потенциала точечного заряда

где — полный заряд диска

Используя связь напряженности поля с потенциалом , можно найти напряженность поля на оси диска

Закон Кулона и размерность пространства

Пространство, в котором мы живем, имеет три измерения. Иными словами, нужны три координаты (например, в декартовой или в сферической системах) для задания положения точки А (рис. 1.58). Оказывается, число 3 тесно связано с формой закона Кулона. Мы видели, что теорема Остроградского — Гаусса следует из закона Кулона. Верно и обратное, закон Кулона можно вывести из теоремы Остроградского — Гаусса. Но эта теорема носит более общий характер, чем закон Кулона. В частности, она применима к пространствам с размерностью , где не обязательно должно быть равно трем.

Рис. 1.58. Декартовая и сферическая системы координат

В самом деле, теорема в сущности утверждает, что силовые линии начинаются и заканчиваются на зарядах или уходят в бесконечность. Размерность пространства не играет здесь роли. Поэтому давайте предположим, что мы живем в пространстве с какой-то размерностью и посмотрим, какой будет физика в этом странном мире. Возьмем точечный заряд и мысленно окружим его сферой радиусом Прежде чем продолжать знакомство с мерной физикой, условимся о терминологии.

Объем сферы будет измеряться в единицах подобно тому, как в нашем мире мы измеряем объем в . Так, в двумерном пространстве роль объема играет наша площадь. Действительно, сфера — это геометрическое место точек пространства, равноудаленных от центра. Согласно этому определению, двумерная сфера — это окружность радиусом двумерные существа считали бы ее объемом то, что мы воспринимаем как площадь круга В этом параграфе мы будем называть объемом сферы в мерном пространстве ту величину, которая пропорциональна Аналогично, площадь поверхности мерной сферы пропорциональна В двумерном пространстве это — длина окружности и именно ее двумерные существа воспринимали бы как площадь поверхности. С другой стороны, площадь поверхности в четырехмерном мире — это наши трехмерные объемы.

Итак, площадь сферы в мерном мире пропорциональна (коэффициент пропорциональности сейчас нам не важен). Поток вектора напряженности электрического поля в таком мире пропорционален и должен быть пропорционален также величине электрического заряда внутри сферы (теорема Остроградского — Гаусса). Отсюда получаем, что

где — некий коэффициент пропорциональности. Аналогичное выражение справедливо для гравитационного поля в мерном мире.

При получаем отсюда закон обратных квадратов (закон Кулона). При находим На самом деле мы уже знакомы с таким поведением электрического поля. Именно такой закон (10.17) мы вывели для поля бесконечного заряженного цилиндра. Если как следует подумать и вспомнить расположение силовых линий цилиндра, то станет ясно, что ничего не зависит от координаты вдоль оси цилиндра. Таким образом, эта система имитирует электрическое поле в двумерном мире. Теперь легче понять, что заряженная плоскость имитирует точечный заряд в одномерном мире: все зависит только от одной координаты — расстояния до плоскости. Но мы нашли выше, что электрическое поле от этого расстояния не зависит. И из формулы (10.49) при также следует, что напряженность то есть постоянна. В четырехмерном же мире закон Кулона принял бы форму Таким образом, закон обратных квадратов является прямым следствием трехмерности нашего мира.

Из выражения (10.49) следует поведение потенциала в мерном мире:

Эти формулы являются следствием того, что дифференцирование потенциала (операция grad) должно дать выражение для напряженности электрического поля.

Отсюда следуют любопытные выводы. Поскольку в одно- и двумерном мирах потенциалы растут на бесконечности, нужна бесконечно большая работа, чтобы развести два притягивающихся заряда. Это означает, что в мирах малой размерности возможно лишь финитное движение двух притягивающихся тел (зарядов, масс). Напомним, что финитным называется движение в ограниченной области пространства. Поэтому в мирах с нельзя ионизировать атом, нельзя запустить спутник за пределы Солнечной системы и т. п. В таком мире не было бы химических реакций, не могли бы эволюционировать галактики и звезды. Словом, жизнь там была бы застойно скучна.

Можно было бы ожидать более приятного времяпрепровождения в многомерных мирах. Увы, и это оказывается иллюзией. Исследование уравнения движения

приводит к выводу, что при в сущности отсутствует финитное движение: оно реализуется только для круговых орбит, да и то является неустойчивым — малейшее возмущение приводит к падению электрона (планеты) на притягивающий центр или его (ее) убеганию на бесконечно большое расстояние. Выходит, в таком мире атомы, планетные системы и все остальное вообще не могло бы образоваться. Никакой стабильности в мирах высшей размерности — вот альтернатива «застойным» маломерным мирам. Только при возможно как устойчивое финитное, так и инфинитное движения. Получается, что трехмерное пространство — единственно удобная форма существования и движения материи, по крайней мере, известных нам ее видов, которые мы изучаем в физике.

Дополнительная информация