1-2高斯定理

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第4章-2-高斯定理

第4章-2-高斯定理
第二节 静电场的高斯定理 7-3
第四章 第七章
§4.2
静电场的高斯定理 基本内容: 基本内容:
一、电场线 二、电场强度通量 三、高斯定理
第二节 静电场的高斯定理 7-3 一. 规定 电场线
第四章 第七章
1) 曲线上每一点切线方向为该点电场方向, 曲线上每一点切线方向为该点电场方向, 切线方向为该点电场方向 通过垂直于电场方向单位面积 垂直于电场方向单位面积电场线的条 2) 通过垂直于电场方向单位面积电场线的条 数为该点电场强度的大小. 数为该点电场强度的大小.
第四章 第七章
一对不等量异号点电荷的电场线
2q
q
第二节 静电场的高斯定理 7-3
第四章 第七章
带电平行板电容器的电场线 + + + + + + + + + + + +
第二节 静电场的高斯定理 7-3
第四章 第七章
电场线的特点
始于正电荷,止于负电荷(或来自无穷远, 1) 始于正电荷,止于负电荷(或来自无穷远,去 向无穷远) 不会在没有电荷处中断. 向无穷远),不会在没有电荷处中断. 电场线不相交. 2) 电场线不相交. 静电场电场线不闭合. 3) 静电场电场线不闭合. 电场线不仅能够表示电场强度的方向, 4) 电场线不仅能够表示电场强度的方向,而且 电场线在空间的密度分布还能表示电场强度的大小。 电场线在空间的密度分布还能表示电场强度的大小。
dS'dS
+
任取两个球面, 任取两个球面,一 个包围曲面, 个包围曲面,另一 个在曲面内: 个在曲面内:则两 个球面的电通量都 q/ε 为q/ε0
通过任意形状的包围点电 的闭合面的电通量等于q/ q/ε 荷q的闭合面的电通量等于q/ε0

第2章--电磁场基本方程---2

第2章--电磁场基本方程---2

B(z) 0Ia

2π 0
(z2
ez a a2 )3/2
d
'
0 Ia 2
2(z2 a2 )3/ 2
可见,线电流圆环轴线上的磁感应强度只有轴向分量,这是因为
圆环上各对称点处的电流元在场点P产生的磁感应强度的径向分 量相互抵消。
在圆环的中心点上,z = 0,磁感应强度最大,即
B(0)
ez
0 I
dB (r )
0

Idl (r r r3
r )
体电流产生的磁感应强度
B(r ) 0 J (r) R dV
4π V R3 面电流产生的磁感应强度
z
C Idl M
r R r y
o
x
B(r ) 0

S
JS
(r ) R3
R
dS
25
电磁场
第二章 电磁场基本方程
3. 几种典型电流分布的磁感应强度
D

q
4r 2
4
电磁场
第二章 电磁场基本方程
电通量为
S
D
ds
q
4r 2
4r 2
q
此通量仅取决于点电荷量q, 而与所取球面的半径无关。
如果在封闭面内的电荷不止一个, 则利用叠加原理知, 穿出封闭 面的电通量总和等于此面所包围的总电量
S D ds Q
--- 高斯定理的积分形式(1839
K .F .Gauss导出),
r1 R12 r2
o
x
C2
I2dl2
y
安培磁力定律
F12
0

I2dl2 (I1dl1 R12 )

高斯定理(高斯定理是什么?高斯定理怎么用?)

高斯定理(高斯定理是什么?高斯定理怎么用?)
解 对称性分析:E垂直平面
选取闭合的柱形高斯面
E dS S'
S
0 底面积
2S'E S'
E
S'
0
S' E
S'
E 20

E



EE
E
E 2 0
E
x
O
( 0)
讨论
无的 限电 大场 带叠 电加 平问 面题


0

0
高斯定理举例:
均匀带电球面(球体、球壳等)的 电场分布 均匀带电直线(圆柱面、圆柱体等)
的电场分布 均匀带电无限大平面的电场分布
例:均匀带电球壳的电场强度
一半径为R , 均匀带电 Q 的薄
球壳 . 求球壳内外任意点的电场强
度. 解(1)0 r R
r S +
r +
+
O
+ 1+ + +
+R +
S
s (柱面)
h 0
2 rhE h 0

E
2 0 r
z
+
+
r h
+
+o
x+
E y en
E
O
r
讨论
o
E O
无限长均匀带电柱面的电场分布
对称性分析: 视为 无限长均匀带电直 线的集合;
r
P
dE '
选同轴圆柱型高斯 面;
由高斯定理计算
dE
dE dE'
0 rR
高斯 Carl Friedrich
Gauss 德国 1777~1855 数学家、天文学家

2.大学物理-高斯定理

2.大学物理-高斯定理

关于高斯定理的讨论:
es
1 E dS q内
s
0
3. 利用高斯定理可方便求解具有某些对称分布的静电场 成立条件:静电场
求解条件:电场分布具有某些对称性
才能找到恰当的高斯面,使 s E cos dS 中的 E和 cos 能够提到积分号外,从而简便地求出 E 分布
能否用高斯定理求电场分布?
如果不能,是否意味着高斯定理失效?
q内 ( r ) dV
R ,r
dV L 2rdr
[例三] 无限大均匀带电平面的电场(电荷面密度 )
对称性分析: 视为无限长均匀带电直线的集合
dE
x

dE
P
' dE
dE
E方向 垂直于带电平面,
E cos0 dS E cos0 dS E cos dS 2 E 2S
左 右 侧

0

0
2 0
E
o

x
2 0
E 2 0
其指向由 号决定

的符
讨论: 1.电荷均匀分布无限大平板(厚度 h 0 )的电场。
2.电荷分层均匀分布分层均匀无限大平板(厚度
讨论:
1. 无限长均匀带电柱面的电场分布
对称性分析:视 为无限长均匀带 电直线的集合; 选高斯面;同轴 圆柱面
R

o o
r
r
P
E o R r
' dE
P
dE
' dE dE
由高斯定理计算
r R: E0 r R:
E 2 0 r
2. 计算均匀带电圆柱层( R1 , R2 , )的电场分布

高斯定理1+2+

高斯定理1+2+

高斯定理1+2+ (100)Gauss定理Gauss定理是由十九世纪德国数学家卡尔·弗里德里希·高斯在他的1786年著作中推导出来的一个重要定理,被称为高斯定理或高斯求和定理,它可以利用数学表达式用简洁的方式表达出某些数字的和,也可以用于算出一定范围内正整数的和。

一、高斯定理的基本定义高斯定理的基本定义是:若将一个事物的数目N连续排列,用符号S表示这个事物的和,则S可以用如下公式表示:S=N (N+1) / 2二、高斯定理的应用1、高斯定理可以用来求正整数序列的和。

例如:若有如下正整数序列:1,2,3, ..., 98, 99, 100,则用高斯定理求该序列的和为:S=100 (101) / 2=50502、高斯定理也可以用来求负整数序列的和。

例如:若有如下负整数序列:-1、-2、-3、...、-98, -99, -100,则用高斯定理求该序列的和为:S=(-100)(-101)/ 2 = -50503、高斯定理还可以用来解决数列的乘积与求余数的问题。

例如:对于代数方程组a+b = 15,a*b = 56,则可以用高斯定理进行求解:a+b = 15a*b = 56即可求得a = 7,b = 8四、高斯定理的推广1、求和高斯定理的推广:高斯定理的推广就是求和定理,对于于数字序列m, m + r, …, m + (n-1)r,可用下列公式进行求和:Sn = (n/2)*[2m + (n-1)r]其中n为数字序列中元素的总数。

例如:对于序列2, 4, 6, 8, 10中元素的和,可运用求和定理,得:Sn = (5/2)*[2*2 + (5-1)*2] = 302、积分高斯定理的推广:高斯定理的推广就是积分定理,对于于函数y = f(x)在[a, b]上的定积分,可用如下公式进行求解:I = (b - a) / 2 * [f(a) + f(b) + 2Σf(x)],其中f(x)为离散函数,a、b分别为函数f(x)定积分的下上限,n为f(x)函数离散点的个数。

9-1-2静电场-高斯定理

9-1-2静电场-高斯定理
S
0
q
i
i
10
关于高斯定律的说明:
(1)高斯定理表明静电场是有源场,电荷是静电场的源头. q3 q 2 qi S (2)高斯定理表达式: E dS i q1 0 S 式中 E 是面S 内、外所有电荷产生的合场强. 对闭合面的电通量 E dS 仅S面内的电荷有贡献.
S
(3)表达式中的qi是被面S包围在面内的电荷的代数和. (4)表达式的右端是封闭面S上的电场强度 E的通量e (有出有进).
11
关于高斯定律的用途: 1.当电荷分布具有某种对称性时,可用高斯定律求 出该电荷系统的电场的分布。比用库仑定律简便. 2. 当已知场强分布时,用高斯定律求出任一区域的电荷, 电势分布.
B. Q / 6
a 2
Q O
a
C. Q / 6 0
D. Q / 0 E. 条件不足,无法计算
a
17
利用高斯定律求静电场的分布
高斯定律可以用来求解特殊对称情况下的电场强度, 求解步骤如下: 1.根据电荷分布的对称性,分析电场分布的对称性。 2.根据高斯定律计算场强数值: 关键是高斯面的选取。 可以找到一个封闭曲面(高斯面), 使高斯面上 E dS
i E d s qi

S1
r
E
O
p E ds
r
S2
Φe
E 20 r
侧面
E dS E
dS E 2rl
1
侧面
0
l
24 请同学们画出 E r 关系曲线
例: 求无限长均匀带电圆筒的场强分布. 解: 该电场分布具有轴对称性.如图取同轴柱面为高斯面
A. 1 2,s q / 0 B. 1 2,s 2q / 0

§2.高斯定理(Gauss theorem)

§2.高斯定理(Gauss theorem)

q ee E d s ds 2 40r s s q q 2 4 r 2 40r 0 思考:q不在球心,
曲面不是球面,
曲面内有多个电荷,
q在球心。
dS
e ?
q
0
0 其中: qi 曲面内电荷的代数和。 E 为闭合曲面(高斯面)上的场强。

两均匀带电球壳如图,求电场分布。设场点距球心为r.
解:
(1)当r R1时,作高斯面如图。有:
1q. 1R
1 ( r球面)
E COSdS
E1 0
q
0
r
R2.q2
( r球面)
(2)同理,当R1 r R2时有:
q

E2 cos dS
0
E2 .4r
n
θ
若为非匀强场,任意曲面,
dS
则可用微元法求φ,见图:
d EdS cos
E cosdS
3.的正负:
对闭合曲面法线方向规定向外。
s
0 s theorem)
1.导出:特例,求点电荷q的φe。
如图,封闭面为球面,
n
在上.下底面上 0 0 而且E为常量 有:
(S )
2
即: 2 ES
E cosdS E cos dS 2ES
(.上,下底)
0
S
E 2 0
1 2 e E We e dV 2 (4) (v)
(3) 求 平行板电容器间的场强. 面电荷密度为
2
0
q1
即E2
40 r
q1
2
(3)当r R2时。
E
3

2电通量 高斯定理

2电通量 高斯定理

小结
1、点电荷
E q 4 0 r 2
2、均匀带电球面
0 q E 2 4 r 0
rR rR
3、均匀带电球体
E E
qr 40 R q 40 r
2 3
,r R ,r R
4、无限长均匀带电直线
E 20 r
5、无限长均匀带电圆柱面
6、无限长均匀带电圆柱体
· Q
· q
D
练习 一个带电量为q的点电荷位于立方体的中心处, 则通过侧面a b c d的电场强度通量等于:
q 1) 6 0 q 2) 12 0 q 3) 24 0 q 4) 48 0
· q
A
练习 一个带电量为q的点电荷位于立方体的顶角处, 则通过侧面a b c d的电场强度通量等于:
q 1) 6 0 q 2) 12 0 q 3) 24 0 q 4) 48 0
q1 q2
S
E ds:
q


S 内的净电荷
通过S的电通量, 只有S内电荷有贡献
2、 揭示了静电场中“场”和“源”的关系
q : 发出 q 0 条电场线,是电场线的“头”
q : 吸收 q 0 条电场线,是电场线的“尾”
静电场的重要性质 —— 静电场是有源场
四、高斯定理的应用
Q1 Q2 1) 2 4 0 r
3) 2 4 0 r 4) 2 4 0 r Q2 Q1
Q1 Q2 2) 2 4 0 r
Q1 R1 r
Q2
· P
(3)
R2
练习
一点电荷 , 放在球形高斯面的中心处 . 下列那 一种情况,通过高斯面的电通量发生变化:
A) 将另一点电荷放在高斯面外. B) 将另一点电荷放进高斯面内. C) 将球心处的点电荷移开,但仍在在高斯面内. D) 将高斯面半径缩小.
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图 电荷线密度为 的无限长均 匀带电体

D dS q , 得
S
33

D dS q ,
S

D1 2rL L
D1 er 2r
D1
E1 er 0 2 0 r
D dS
S
S1
D1 dS1 D2 dS2 D3 dS3
现象。这些沿外电场方向作取向排列的电偶
极子,将使介质对外表现出宏观电矩(电偶 极子),
P pi qi d i

我们说电介质被极化了。
10
(2)静电场中的电介质被极化
E
无极性分子 有极性分子
图1.2.3 电介质的极化
电介质在外电场作用下发生极化,形成有向排列; 电介质内部和表面产生极化电荷 (polarized charge);
极化电荷与自由电荷都是产生电场的源。
11
d
-q +q
E0 在不超过一定的强度条件下,外电场愈强,则电 偶极子电荷间的距离d愈大,其偶极矩p=qd也越大, 取向排列愈趋向于一致,表现出的宏观电矩愈强。 外电场的这个一定的电场强度称为击穿场强。
12
(3) 极化强度与极化电荷的关系
电介质在外电场E作用下发生极化,形成有向排列的电偶极矩;
( f p )( r r ' ) 1 ( f p )( r r ' ) E (r ) dV ' dS ' 3 3 S' 4 0 V ' r r' r r'
18
1.2.3. 高斯定律

一、真空中的高斯通量定理
根据库伦和叠加原理得出(高斯定理): 在无限大真空静电场的任意闭合曲面S上,电场强 度的面积分等于曲面内的总电荷 q dV 的
V
1
0
倍(V是S限定的体积),而与曲面外电荷无关。 即
E d S dV 0 0V S
19
q
1
E d S dV 0 0V S
或者说:在真空电场中,穿出任意闭合面S的通量恒等 于闭合面内电荷的代数和除以真空的介电系数 0。 •真空中电场强度E的闭合面通量只与闭面内的电荷 和有关,而与闭面外的电荷无关。 •可以推广到体电荷、面电荷、线电荷以及点电荷 系产生的电场。
P线
思考
E 线由正电荷出发,终止于负电荷; D 线由正的自由电荷出发,终止于负的自由电荷; P 线由负的极化电荷出发,终止于正的极化电荷。
29
思考?
• 1 电场强度在电介质内部是增加了,还是 减少了? • 2 D是否与介质无关?
D
DdV
V
V
dV
散度定理

S
D dS q
7
(1)静电场中的电介质

电介质的分子可分为极性分子和非 极性分子两类。
非极性分子:其中的正、负电荷作 用中心重合,宏观来看对外呈电中 性。在外电场作用下,分子中的正、 负电荷作用中心沿电场方向发生了 微小位移d,于是,可以等效为一 个电偶极子,电偶极矩为p=qd, 从宏观来看对外呈现电性。

8

①高斯定律是基于场的观点,从整体上来反映场 与源之间的关系,闭合曲面S可以跨多种介质,而 不受介质影响;
② D的闭合面净通量仅与闭合面内的电荷相关, 而D本身则与产生电场的所有电荷以及介质的特 性与分布情况相关。
26
(2)高斯定律的微分表达式
S D d S q dV
V
应用高斯散度定理,得 则有

电介Biblioteka 内部和表面产生极化电荷;极化电荷与自由电荷都是产生电场的源。 用极化强度P表示电介质的极化程度,即
P
V 0
lim
p
V
C/m2
电偶极矩体密度
式中 p 为体积元 V 内电偶极矩的矢量和,P 的 方向从负极化电荷指向正极化电荷。
13
一个电偶极子产生的电位:

1 4 0
p er qd cos 2 2 R 4 0 R
22
二、当有电介质存在时,
电场是自由电荷q与极化电荷qp在真空中共同产生。 运用真空中静电场的高斯定律,总的净电荷将包含 自由电荷q和极化电荷qp。

s E d S
dV q P q q V P
ε0
0
讨论闭面内的体极化电荷 :
q p V p dV V PdV S P d S
q
1
20
E的散度
E (r )
dq (r )dV V ' V ' 4 0 r r ' 3 4 0 r r ' 3
高斯定律的微分形式
1
r r'
1
r r'
作散度运算
(r ' ) E (r ) 0
• A= 0 (无源)
• A= 0 (正源) • A= 0 (负源)

2
1-2 静电场中的导体

导体的定义:其内存在着能够自由运动的电荷的物质。 自由运动的电荷可以是自由电子或离子,金属是最常见 的导体。 当我们把导体放入外电场中,则外电场对导体内的自由 电荷将产生作用力,使它们沿着(或逆着)电场的方向 运动,导体表面会出现感应电荷。

Eex
17

根据电荷守恒原理,这两部分极化电荷的总和


V'
PdV' P en dS' 0
S'
在均匀极化的电介质内,极化电荷体密度
p 0
有电介质存在的场域中,任一点的电位及电场 强度表示为
1 (r ) 4 0 ( f p ) ( f p ) dV ' dS ' V ' S' r r' r r'
S2 S2
L
34
设距直导线距离为a处为电位参考点 空间任意点的电位:
a
a E dl er dl 20r P r
15
P( r ) en 1 ' P( r ) 1 V ' R dV' 4 0 S' R dS' 4 0
p P
极化电荷体密度
极化电荷面密度
p P en
( r ) 1 4 0

p (r ' )
R
V'
dV '
1 4 0
D 0E P 0E e 0E 0 (1 e )E r 0E E
其中
r 1 e

——相对介电常数;
——介电常数,单位(F/m)
28
例 平板电容器中有一块介质 ,画出D 、E 和 P 线分布。
E线
D线 图1.2.6 D、E 与 P 三者之间的关系
V
引入
D ε0 E P
D为电位移矢量,单位是C/m2(库/米2)。有
S D d S q dV
V
这就是高斯定律的积分表达式。
25
S D d S q dV
V
高斯定律的积分表达式:它表明D的通量只与闭合曲面 S内的自由电荷有关,而与介质的极化无关,也与介 质结构、状态、分布无关。 理解高斯定律应注意:
E
极性分子:其中的正、负电荷 作用中心本来就不重合,即每 一个极性分子的电特性都可以 用一电偶极子来等效反映,但 其电偶极矩的分布杂乱无章, 互相抵消,宏观来看对外仍然 呈电中性。在外电场作用下, 极性分子的电偶极矩沿外电场 的方向发生偏转,将趋向于有 序的排列,从宏观来看对外呈 现电性。
9

处在电场中的电介质,在电场力的作用下其 分子发生的这种变化现象称为电介质的极化
23
(1)高斯定律的积分表达式
s E d S
dV qP q q V P
ε0
0
q p V p dV V PdV S P d S
代入得积分式
ε0 S E d S q S P d S
24
S ( ε0 E P ) d S q dV
E 。 0
5
接地导体都不带电。(
) )
一导体的电位为零,则该导体不带电。 (
任何导体,只要它们带电量不变,则其电位是不变的。 (
6
1.2.2 静电场中的电介质
定义:其内部存在的带电粒子,受到原子内
在力、分子内在力或分子之间的作用力不能 自由运动,这样的物质称为电介质(简称介 质)。 介质中这些粒子所带的电荷称为束缚电荷。 上面的定义表现了电介质的主要特征,忽略 了它微弱的导电性。
30
D 的通量与介质无关,但不能认为D 的分布与介质无关。

S1
D1 dS ( q )
(

S2
q) D2 dS
(
q D1 D2 D3 2 4r

)
点电荷的电场中置入任意一块介质
D 通量只取决于高斯面内的自由电荷,而高斯面上的 D 是由高斯面内、外的系统所有电荷共同产生的。
图均匀场中放进了介质球的电场
图 均匀场中放进了导体球的电场
1
2.2 静电场中的导体与电介质
前面我们讨论了在真空中不同分布形式的电荷产生 的电场, 实际的电场分布还与电场空间存在的物质有关。 根据导电性能,我们可把物质粗分为两大类:导体 与电介质。 导体在电场作用下产生的静电感应现象; 电介质在电场作用下产生的极化现象,都会影响空 间电场的分布。
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