Какое выражение определяет циркуляцию вектора напряженности электростатического поля по контуру
Обновлено: 22.12.2024
По теории близкодействия взаимодействия между заряженными телами, удаленными друг от друга, происходит с помощью электромагнитных полей, создаваемых этими телами в окружающем их пространстве. Если поле было создано неподвижными частицами, то его относят к электростатическому. Когда происходят изменения во времени, получает название стационарного. Электростатическое поле является стационарным. Оно считается частным случаем электромагнитного поля.
Характеристика электрического поля
Силовая характеристика электрического поля – вектор напряженности, который можно найти по формуле:
E → = F → q , где F → - сила, действующая со стороны поля на неподвижный (пробный) заряд q . Его значение должно быть настолько мало, чтобы отсутствовала возможность искажать поле, напряженность которого с его помощью и измеряют. По уравнению видно, что напряженность совпадает по направлению с силой, с которой поле действует на единичный положительный пробный заряд.
У напряженности электростатического поля нет зависимости от времени. Когда она во всех точках поля одинакова, тогда поле называют однородным. В другом случае – неоднородным.
Силовые линии
Чтобы изобразить электростатические поля графически, необходимо задействовать понятие силовых линий.
Силовые линии – это линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают с направлениями векторов напряженности в этих точках.
Такие линии в электростатическом поле разомкнутые. Они начинаются на положительных зарядах и заканчивают на отрицательных. Реже уходят в бесконечность или возвращаются из нее. Силовые линии поля не могу пересекаться.
Вектор напряженности электрического поля подчиняется принципу суперпозиции, а именно:
E → = ∑ i = 1 n E → i .
Результирующий вектор напряженности сводится к нахождению векторной суммы напряженностей, составляющих его «отдельные» поля. При распределении непрерывного заряда, поиск суммарной напряженности поля производится по формуле:
Интегрирование E → = ∫ d E → проводится по области распределения зарядов. Если их распределение идет по линии ( τ = d q d l - линейная плотность распределения заряда), то интегрирование E → = ∫ d E → тоже. Когда распределение зарядов идет по поверхности и поверхностная плоскость обозначается как σ = d q d S , тогда интегрируют по поверхности.
Интегрирование по объему выполняется, если имеется объемное распределение заряда:
ρ = d q d V , где ρ - объемная плотность распределения заряда.
Что называется напряженностью электрического поля
Определение 2Напряженность поля в диэлектрике равняется векторной сумме напряженностей полей, которые создают свободные E 0 → и связанные E p → заряды:
Нужна помощь преподавателя? Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут! Описать заданиеЗачастую бывают случаи, когда диэлектрик изотропный. Тогда запись напряженности поля имеет вид:
E → = E 0 → ε , где ε обозначает относительную диэлектрическую проницаемость среды в рассматриваемой точке поля.
Отсюда следует, что по выражению E → = E 0 → ε имеется однородный изотропный диэлектрик с напряженностью электрического поля в ε меньше, чем в вакууме.
Напряженность электростатического поля системы точечных зарядов равняется:
E → = 1 4 π ε 0 ∑ i = 1 n q i ε r i 3 r i → .
В системе СГС напряженность поля точечного заряда в вакууме:
Дан равномерно распределенный заряд по четверти окружности радиуса R с линейной плотностью τ . Необходимо найти напряженность поля в точке А , являющейся центром окружности.
Решение
Произведем выделение на заряженной части окружности элементарного участка d l , который будет создавать элемент поля в точке А . Следует записать выражение для напряженности, то есть для d E → . Тогда формула примет вид:
d E → = d q R 3 R → R .
Проекция вектора d E → на ось О х составит:
d E x = d E cos φ = d q cos φ R 2 .
Произведем выражение d q через линейную плотность заряда τ :
d q = τ d l = τ · 2 πRdR .
Необходимо использовать d q = τ d l = τ · 2 πRdR для преобразования d E x = d E cos φ = d q cos φ R 2 :
d E x = 2 π R τ d R cos φ R 2 = 2 π τ d R cos φ R = τ cos φ d φ R ,
где 2 π d R = d φ .
Далее перейдем к нахождению полной проекции E x при помощи интегрирования d E x = 2 π R τ d R cos φ R 2 = 2 π τ d R cos φ R = τ cos φ d φ R ,
по d φ с изменением угла 0 ≤ φ ≤ 2 π .
E x = ∫ 0 2 π τ cos φ d φ R = τ R ∫ 0 2 π cos φ d φ = τ R sin φ 0 2 π = τ R .
Перейдем к проекции вектора напряженности на О у :
d E y = d E sin φ = τ R sin φ d φ .
Следует проинтегрировать с изменяющимся углом π 2 ≤ φ ≤ 0 :
E y ∫ π 2 0 τ R sin φ d φ = τ R ∫ π 2 0 sin φ d φ = - τ R cos φ π 2 0 = - τ R .
Произведем нахождение модуля вектора напряженности в точке А , применив теорему Пифагора:
E = E x 2 + E y 2 = τ R 2 + - τ R 2 = τ R 2 .
Ответ: E = τ R 2 .
Пример 2Найти напряженность электростатического поля равномерно заряженной полусферы с радиусом R . Поверхностная плотность заряда равняется σ .
Решение
Следует выделить на поверхности заряженной сферы элементарный заряд d q , располагаемый на элементе площади d S . Запись, используя сферические координаты d S , равняется:
d S = R 2 sin θ d θ d φ ,
при 0 ≤ φ ≤ 2 π , 0 ≤ θ ≤ π 2 .
Элементарная напряженность поля точечного заряда в системе С И :
d E → = d q 4 π ε 0 R 3 R → R .
Необходимо спроецировать вектор напряженности на О х :
d E x = d q cos θ 4 π ε 0 R 2 .
Произведем выражение заряда через поверхностную плотность заряда:
Подставим d q = σ d S в d E x = d q cos θ 4 π ε 0 R 2 , используя d S = R 2 sin θ d θ d φ , проинтегрируем и запишем:
E x = σ R 2 4 π ε 0 R 2 ∫ 0 2 π d φ ∫ 0 π 2 cos θ sin θ d θ = σ 4 π ε 0 2 π · 1 2 = σ 4 ε 0 .
Отсюда следует, что E = E x .
Ответ: напряженность полусферы в центре равняется E = σ 4 ε 0 .
Читайте также: