电场强度通量高斯定理
高斯定理与电场强度
高斯定理与电场强度高斯定理是物理学中的一个重要定理，用于描述电场的性质和行为。
它与电场强度有着密切的关系，通过高斯定理我们可以更好地理解和分析电场的分布和性质。
1. 高斯定理的基本原理高斯定理是由德国数学家卡尔·弗里德里希·高斯于19世纪提出的。
它描述了电场通量与电场的源之间的关系。
根据高斯定理，一个确定闭合曲面上的电场通量（通过该曲面的电场线数量）等于该闭合曲面所包围的电荷量的代数和的1/ε0 倍（其中ε0 为真空介电常数）。
2. 电场强度与电场通量电场强度是描述电场在空间中的分布情况的物理量。
它是一个矢量量，在每个点上具有大小和方向。
根据高斯定理，通过一个闭合曲面的电场通量与该曲面所包围的电荷量有关。
当曲面与电荷分布有关时，电场通量的值不为零；而当曲面内没有电荷时，电场通量为零。
因此，通过对电场通量进行计算和观察，我们可以推断和了解电场强度在空间中的分布。
3. 高斯定理在电场分析中的应用高斯定理在电场分析中有着广泛的应用。
例如，在对均匀电荷分布产生的电场进行分析时，可以利用对称性和高斯定理来简化计算过程。
通过选择合适的闭合曲面，可以使被积函数的形式简化为常数或者与曲面法向量平行的形式，从而简化了积分运算。
这大大简化了电场强度的计算过程，提高了计算的效率。
4. 高斯定理的意义和应用范围高斯定理的意义不仅仅局限于电场分析，还能够应用于其他物理学领域中。
例如，它可以用于描述流体动力学中的流体流动和流量，用于量子力学中的波函数分布和球面波传播等。
高斯定理作为一个基础定理，为我们研究各种物理现象提供了重要的数学工具。
5. 实际应用举例高斯定理在现实生活和工程领域中有着广泛的应用。
例如，在电力输电线路的设计和分析中，可以利用高斯定理计算导线周围的电场分布，从而评估电线对周围环境的影响。
在电容器的设计中，可以通过高斯定理来分析电场强度分布，从而优化电容器的结构和性能。
另外，在雷达和天线设计中，高斯定理可以用来计算电磁波的辐射和接收效率，为信号处理和系统优化提供依据。
第六讲 电场强度通量 高斯定理
rO
E
q dS
0R
4π
q 0(r 2
l
2 )(r
2
l l
2
)1
2
2πrdr
q 1 -
20
l
2
l
R2
解二：以 q 为球心，半径为 L R2 l 2 作球冠面，则
S冠 2πL(L - l)，
E
q
4π 0 L2
Φ Φ冠 S冠 E dS S冠 EdS E S冠 dS ES冠
20
l
2
l
R2
放在高斯球面外附近；
答：(1)
穿过这高斯面的
E
通量
Φe
q
0
丌变。
Q2.6.1
一个点电荷 q 放在球形高
斯面的中心处，试问在下
列情况下，穿过这高斯面
的
E
通量是否改变？
(2) 如果第二个点电荷 q
放在高斯球面内；
答：(2)
穿过这高斯面的
E
通量变为 Φe
q
q
0
。
Q2.6.1
¼ 球面(直径沿 y 轴)的电场强度通量。
z
E
Ry
-R O
x
解：
E
E x iˆ
Ezkˆ
Ex 通量
Φe1
Ex
1 2
πR2
2 E 1 πR2 22
2 πR2E 4
Ez 通量
Φe2
2 πR2E 4
z
E
Ry
-R O
5-4 电场强度通量 高斯定理
5-4 电场强度通量
高斯定理
正点电荷与负点电荷的电场线
+
-
5-4 电场强度通量
高斯定理
一对等量正点电荷的电场线
+
+
5-4 电场强度通量
高斯定理
一对等量异号点电荷的电场线
-
+
5-4 电场强度通量
高斯定理
一对不等量异号点电荷的电场线
2q
-q
5-4 电场强度通量
高斯定理
带电平行板电容器的电场线
+ + + + + + + + + + + + +
i 1 n
3 高斯定理的讨论 (1) 高斯面：闭合曲面. (2) 电场强度：所有电荷的总电场强度. (3) 电通量：穿出为正，穿进为负.
(4) 仅面内电荷对电通量有贡献.
5-4 电场强度通量
四 高斯定理应用举例 用高斯定理求电场强度的一般步骤为 对称性分析； 根据对称性选择合适的高斯面； 应用高斯定理计算.
高斯定理
1 Φe E dS ε0 S
q in i
i 1
n
5-4 电场强度通量
高斯定理
例2 设有一半径为R , 均匀带电Q 的球面. 求球面内外任 意点的电场强度. 解 高斯面：闭合球面 对称性分析：球对称 (1) 0 r R E dS 0 E 0
in ei
E
1 n in SE dS ε0 qi i 1
dS
s
qi
5-4 电场强度通量
高斯定理
2 高斯定理 在真空中静电场，穿过任一闭合曲面的电场强度通量，
5-4 电场强度通量 高斯定理
• 选择合适的高斯面 ，求 e。
Φe SE dS f (E)
• 确定高斯面包围的电量 qiin = ？
• 由高斯定理求 E
f
(
EΦ)e
1
0
i
qiin
E
27
例题5-7（课本P.169 例2）
第五章 静电场
设有一半径为R , 均匀带电 Q 的球面，求球面内、
外任意点的电场强度。
解：• 电场分布的对称性分析
• 选择合适的高斯面，求e。
过所求点 P 作半径为 r 同 心 高
斯球面， 穿过 该球面的 通E量
Φe
E dS
S
E
dS E 4πr 2
S
第五章 静电场
en
Q r r dS
O• •
R
P
无论所求点 P 在球体内还是
在球体外，上述结论均成立。
• 确定高斯面包围的电量qi = ？ E
0 < r < R 时：
ΦE SE dS 0
结论： 通过任一闭合曲面的
电场强度通量，与闭合曲面外 的电荷无关，仅仅取决于闭合 曲面内的电荷量。
第五章 静电场
E
S
+
q
17
三、高斯定理
高斯是德国数学家、天文学家和物 理学家，有“数学王子”美称，他与韦 伯制成了第一台有线电报机和建立了地 磁观测台，高斯还创立了电磁量的绝对 单位制。
33
• 选择合适的高斯面，求e。
第五章 静电场
过所求点P 作一高为 h、半径为 r ，以直线为轴的
闭合圆柱面为高斯面。穿过该柱面的电场强度通量为
Φe E dS E dS E dS E dS
S0
电场强度通量
（2）当r>R 时，
q l
E 2 0 r
均匀带电圆柱面的电场分布
r
l
E Er 关系曲线
2 0 R
r 1
0
R
r
高斯定理的应用
例3 均匀带电无限大平面的电场. 解：电场分布也应有面对称性，
方向沿法向。
E
E
σ
高斯定理的应用
作轴线与平面垂直的圆柱形高斯面，底面积为 S，两底面到带电平面距离相同。
高斯定理的应用
3. 高斯定理的应用
条件： 电荷分布具有较高的空间对称性
1. 均匀带电球面的电场 2. 均匀带电圆柱面的电场 3. 均匀带电无限大平面的电场
高斯定理的应用
例1. 均匀带电球面的电场，球面半径为R,带电为q。
解： 电场分布也应有球对称性，方向沿径向。
作同心且半径为r的高斯面.
S E dS
0
合球面的电通量都相等。
高斯定理
（2）高斯定理的验证:
①当点电荷在球心时
②任一闭合曲面S´包围点电荷
e
S
E
dS
q
0
作以q为中心的球面S，由于
电力线的连续性，通过闭合曲面
S和球面S´的电力线根数相等。
因此通过S和S´的电通量相等，
均为
e
S
E
dS
q
0
S
q+
r
S´
高斯定理
（2）高斯定理的验证:
§8-3 高斯定理
1. 电场强度通量 2. 高斯定理 3. 高斯定理的应用
电场强度通量
1. 电场强度通量
(1)定义：通过电场中任一给定面的电力线总数，称
为通过该面的电场强度通量或电通量，用Ψ表e 示。
电通量,高斯定理
电通量、高斯定理1、均匀电场的场强E与半径为R 的半球面的轴线平行，则通过半球面的电场强度通量φ = πR 2E ，若在半球面的球心处再放置点电荷q ，q不改变E分布，则通过半球面的电场强度通量 φ =πR 2E ±q/2ε0。
2、真空中的高斯定理的数学表达式为∑⎰=⋅0/εq s d E i s ，其物理意义是静电场是有源场。
3、一点电荷q 位于一位立方体中心，立方体边长为a ，则通过立方体每个表面的E的通量是q/6ε0；若把这电荷移到立方体的一个顶角上，这时通过电荷所在顶角的三个面E的通量是 0 ，通过立方体另外三个面的E的通量是 q/8ε0。
4、两个无限大均匀带正电的平行平面，电荷面密度分别为σ1和σ2，且σ1＞σ2，则两平面间电场强度的大小是( C )(A)(B) (C)(D) 5、应用高斯定理求场强E时，要求E的分布具有对称性，对于没有对称性的电场分布，例如电偶极子产生的电场，高斯定理就不再成立，你认为这种说法：( B )(A)正确 (B)错误 (C)无法判断6、下述带电体系的场强分布可能用高斯定理来计算的是( D )(A)均匀带电圆板 (B)有限长均匀带电棒 (C)电偶极子 (D)带电介质球(电荷体密度是离球心距离r 的函数) 7、如果在静电场中所作的封闭曲面内没有净电荷，则( C )(A)封闭面上的电通量一定为零，场强也一定为零；()0212/εσσ+()021/εσσ+()0212/εσσ-()021/εσσ-(B)封闭面上的电通量不一定为零，场强则一定为零；(C)封闭面上的电通量一定为零；场强不一定为零；(D)封闭面上的电通量不一定为零；场强不一定为零。
8、无限长均匀带电圆柱体，电荷体密度为ρ，半径为R，求柱体内外的场强分布解：作一半径为r，高为h的同轴圆柱面为高斯面根据对称性分析，圆柱面侧面上任一点的场强大小相等，方向沿矢径方向⎰⎰⎰⎰⋅+⋅+⋅=⋅侧面下底上底s dEs dEs dEs dEs=⎰⋅侧面s dE=E⎰侧面ds=2rhEπ（1）r < R时, ∑=ρπhrqi2,2/2ερππhrrhE=,2ερrE=（2）r > R时, ∑=ρπhRqi2,2/2ερππhRrhE=,rRE22ερ=∴=E)(,2)(,22RrrRRrr><ερερ。
电场强度通量高斯定理
y
x + en
8 – 4 电场强度通量 高斯定理
第八章静电场
例4 无限大均匀带电平面的电场强度
无限大均匀带电平面，单位面积上的电荷，即电
r 荷面密度为 ，求距平面为 处的电场强度.
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
2 S ＇E S ＇
E
S＇
0
S＇ E
由多个点电荷产生的电场
EE 1E 2
q
1
q2
E
dS
Φ eSEdSS E idS i
sqi
i(内S） E id S i（外 SE i） d S
i（外S） E i dS01
Φ ei（内 SE ） idS
qi
0i(内）
8 – 4 电场强度通量 高斯定理
第八章静电场
高斯定理
第八章静电场
四 高斯定理的应用
〔用高斯定理求解的静电场必须具有一定的对称性〕 其步骤为
对称性分析； 根据对称性选择适宜的高斯面； 应用高斯定理计算.
8 – 4高斯电定场理的强应度用通量 高斯定理
3. 高斯定理的应用
第八章静电场
条件： 电荷分布具有较高的空间对称性
1. 均匀带电球面的电场
2. 均匀带电圆柱面的电场
1.1 当点电荷在球心时
1.2 任一闭合曲面S包围该电荷
1.3 闭合曲面S不包围该电荷
e EdS
S
e SE dS
q
q
0
0
e EdS 0
S
1.4 闭合曲面S包围多个电荷q1-qk，同时面外也有多个
电荷qk+1-qn
电场强度通量和高斯定理
？
高斯定理的导出
点电荷电场强度公式 电场强度叠加原理
高斯 定理
点电荷位于球面中心
E
S
q 4π 0r
S
2
r
2
dS
+
Φe E dS
q 4π 0r
dS
Φe
q
0
Φe
q
4 π 0
dS＇ q 2
r
0
dΦe
q 4π 0r
2
dS cos
q
q2
S
0 S面内 e E dS S 1 ( q1 q2 q3 )
i
q
0
证明： 1）仅有一个点电荷
e E dS
S
Sn
B）点电荷在S面外：
A）点电荷在S面内：
E
q
+
q E dS
Sn
S
0
E
e E dS
q
q1
i
S面内电荷代数和
3） 当
e 0
时，
q 0
i
面内有净正电荷，并非 一定仅只有正电荷
+
q2
-
S
q1 q2
1 e E dS
S
当
e 0
时，
q 0
i
0 S面内q2
+
面内有净负电荷，并非 一定仅有有负电荷
S
q1 q2
i
当
e 0
i（外）
S
Ei dS 0
i（外）
Ei dS
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
y
P N
S2
en
E
S1
en
zM
o
en
R
x
Q
第五章 静电场
7
Φ e 1s 1E d S E 1 cSπ o s E 1S Φ e 2s 1E d S E2c Sθ o E s1S
5
Φe Φei 0 i1
y
P N
S2
en
E
S1
en
zM
o
en
R
x
Q
第五章 静电场
8
三 高斯定理
1 高斯定理
4、电场线密度
定义：经过电场中任一点，作一面
积元dS，并使它与该点的场强垂直，
若通过dS面的电场线条数为dN，
则电场线密度为dN/dS。
E＝ dN dS
对于匀强电场，电场线密度处处相等，而且方向处处一致。
第五章 静电场
2
二 电场强度通量
1 定义 垂直通过电场中某个面的电场线数
2 表述 匀强电场 ， E垂直平面时.
解 对称性分析与
高斯面的选取
2ES σS
E
ε0
E
E σ
S
2ε0
第五章 静电场
25
E σ 2ε0
σ
E
σ
EE
E
第五章 静电场
26
无限大带电平面的电场叠加问题
σ
σ
ε0
0
ε0
高斯面
在真空中的静电场，穿过任一闭合曲
面的电场强度通量，等于该曲面所包围的
所有电荷的代数和除以ε 0 .
Φe
S
1 EdS
ε0
n i1
qin i
第五章 静电场
9
2 高斯定理的导出
在点电荷q的电场中，通过求电场强度通 量导出.
库仑定律 电场强度叠加原理
高斯 定理
第五章 静电场
10
高斯 (C.F.Gauss 17771855）
14
点电荷系的电场
S E d S S E 1 d S S E 2 d S S E n d S
Φ e1Φ e2Φ en
Φout ei
0
E
EΦdeSi ni ε110 qiinn
S
ε0 i1
qiin
dS
sqi
第五章 静电场
15
3 高斯定理的讨论 (1) 高斯面：闭合曲面. (2) 电场强度为所有电荷在高斯面上的总 电场强度. (3) 电场强度通量：穿出为正，穿进为负.
第五章 静电场
18
例1 设有一半径为R , 均匀带电Q 的球面. 求球面内外任意点的电场强度.
解 对称性分析：球对称
高斯面：闭合球面
(1) 0rR
SEdS0
E0
S
O
Rr
Q
第五章 静电场
19
(2) rR
EdSE4r2
Q
S2
ε0
Q E 4πε0r 2
QE
4π0R 2
Q 4πε0r 2
oRr
高 德国数学家、天文学
家和物理学家，有“数 学王子”美称，他与韦
斯 伯制成了第一台有线电
报机和建立了地磁观测 台，高斯还创立了电磁 量的绝对单位制.
第五章 静电场
11
点电荷位于球面中心
E q 4 πε0R2
Φe
EdS
S
4
q πε0R2
dS
S
q
ε0
第五章 静电场
dS
+
R
12
点电荷在任意封闭曲面内
(4) 仅高斯面内电荷对电场强度通量有贡献.
(5) 静电场性质的基本方程：静电场是有源场
Φe
S
1 EdS
ε0
n i1
qin i
第五章 静电场
16
讨论
将q 2 从 A移到 B q 2 A P*
s s 点 P电场强度是否变化？
穿过高斯面 的 Φ e 有否变化？
q2 B
q1
在点电荷 q 和 q的静电场中，做如下的三
Φ edΦ eSEdS
enΒιβλιοθήκη θEdSS
第五章 静电场
5
非均匀电场，闭合曲面S .
Φe
EdS
S
EcoθsdS
S
“穿出”θ 90 “穿进”θ 90
en
θ
E
E
θ
en
S
第五章 静电场
6
例1 三棱柱体放置在如图所示的匀强电 场中. 求通过此三棱柱体的电场强度通量.
解
5
Φe Φei i 1
Φe1Φe2
个闭合面 S1,S2,S3, 求通过各闭合面的电通量 .
q
Φe1
EdS
S1
0
q
q
Φe2 0
Φe 3
q
0
S1
S2
S3
第五章 静电场
17
四 高斯定理应用举例
用高斯定理求电场强度的一般步骤为： 对称性分析； 根据对称性选择合适的高斯面； 应用高斯定理计算.
Φe
S
E dS1 ε0
n i1
qin i
Φe ES
SS
E en E
第五章 静电场
3
二 电场强度通量
1 定义 垂直通过电场中某个面的电场线数
2 表述
匀强电场 ，
E 与平面夹 θ
角 Φe. EScoθs ES
S
Sθ
en
E
第五章 静电场
4
非匀强电场，曲面S .
dS dSe n
d Φ e E cθ o d S s E d S
r
OQ
s
第五章 静电场
20
例2 已知球体半径为R,带电量为q（电荷体密度为）
求 均匀带电球体的电场强度分布
解 球外 (rR)
E
1
40
q r2
r0
3 0
R3 r2
r0
球E内(drS RE ) 4r2 E S
14r31q'
0 3
E
r
0
O
3 0
第五章 静电场
r
++ R
r' + +
r
R 电场分布曲线
21
dΦe 4πq0r2dScos
q
4π 0
dS＇ r2
其中立体角
drS2＇ dΩ
Φe 4πq0
dΩq
0
第五章 静电场
dS＇
dS
+
r
dS＇
dS
13
点电荷在闭合曲面外
d Φ 1E 1d S 10
d Φ 2 E 2d S 2 0
dΦ1dΦ20
SEdS0
q
E2
+
dS2
dS1 E1
第五章 静电场
5-4 电场强度通量 高斯定理
一 电场线
1 规定 (1) 切线方向为电场强度方向
(2) 疏密表示电场强度的大小
典型电场 的电场线 分布图形
2 特点 (1) 始于正电荷，止于负电荷，非闭合线.
(2) 任何两条电场线不相交.
第五章 静电场
1
3、关于电场线的几点说明
•电场线是人为画出的，在实际电场中并不存在； •电场线可以形象地、直观地表现电场的总体情况; •电场线图形可以用实验演示出来。
23
例3 设有一无限长均匀带电直线，单位长
度上的电荷，即电荷线密度为，
求 距直线为r 处的电场强度.
解 对称性分析与 高斯面的选取
λh
EdSE2πrh
S
ε0
E λ
2πε0r
+
E
+
h r+ o +
y
x+
第五章 静电场
24
例4 设有一无限大均匀带电平面，电荷面
密度为 ，求距平面为r处某点的电场强度.
例 如图所示,两个同心的均匀带电球面,内 球面半径为R1,带电量Q1,外球面半径为R2， 带电量为Q2. 求 电场分布
Q1 Q2 R1 O r •P
R2
第五章 静电场
22
例 如图所示,一个均匀带电的球层,其电量为 Q,球层内表面半径为R1,外表面半径为R2. 求 其电场分布
R1 O
R2
第五章 静电场