静电场之均匀带电圆环,圆盘和圆圈在轴线上的电场
2015复习静电学-3
R E外 2 0 r
2
E
r <R,取高斯面s2
E内 r 2 0
R
r
[例 ] 实验表明，在靠近地面处有相当强的电场，电场强度 100 V/m ；在离地面 E 垂直于地面向下，大小约为 1.5 km 高的地方， E 也是垂直于地面向下的，大小 约为 25 V/m。(1) 求从地面到此高度大气中电荷的 平均体密度。 (2) 如果地球上的电荷全部分布在表 面，求地面上的电荷面密度。 解： (1) 设电荷的平均体密度为 ，取圆柱形高斯面(侧 面垂直底面，底面 DS 平行地面)，上下底面处的场 强分别为 E1 和 E2，则通过高斯面的电通量为：
B
2
P
Ez dEz (sin 2 sin1 ) 4 0 x
O
x
过程要求，公式不必记，会用
A
1
无限长带电直线： E x 2 o x
半无限长带电线直线（若在B端） Ex Ez 4 o x 4 o x
2、均匀带电圆环和圆盘轴线上一点场强 过程要求，公式不必记，会用 特例无限大带电平面
[例]
一根不导电的细塑料杆，被弯成近乎完整的圆，圆的 半径为 0.5 m，杆的两端有 2 cm 的缝隙，3.1210-9 C 的正电荷均匀地分布在杆上，求圆环中心处电场强度 的大小和方向。
解： 圆心处的电场强度应等于完整的均匀圆周电荷和相同 电荷线密度填满缝隙的负电荷的电场强度的叠加，由 于前者在圆心处的电场强度为零，所以圆心处的电场 强度为
2、高斯定理+对称性求 结果 1 均匀带电球面 r<R, E=0 r > R, E
Q 4 r
2
Q RE Eo
三种均匀带电的圆面中心轴线上的电场强度赏析
1图 1图2三种均匀带电的圆面中心轴线上的电场强度赏析——兼析三道高考选择题周林（宁波市鄞州区正始中学， 浙江 宁波 315131）近几年高考题中，有些问题的结论不一定必须通过计算才能验证，有时只需通过一定的物理分析就可以判断结论是否正确。
因此，不仅要提升物理关系式的分析鉴别能力，而且更要挖掘出其中蕴含的物理思想和方法。
让学生知其然还要知其所以然，本文拟用高等数学的定积分推导出三种均匀带电的圆面中心轴线上的电场强度的表达式，并分析三道高考选择题。
模型1：均匀带电的圆圈中心轴线上的电场强度如图1所示，均匀带电且单位长度带电量为λ的一个半径为R 的圆圈，求其中心轴线上任意一点P （坐标为x ）的电场强度在圆环上选取长为dl 的带电微元圆弧，根据点电荷的电场强度，在点P 产生的电场方向与x 轴的夹角为θ，沿x 轴方向的大小为θλcos 22xR dlkdE +=2222xR x xR dlk+⨯+=λ()2322xRxdlk +=λ由定积分得 ()232220xRxdlk E R +=⎰λπ ()23222xRxkR +=λπ根据对称性和叠加性，均匀带电圆圈在点P 产生的合场强必沿x 轴方向，正负由电荷符号决定，大小为()23222xRxkR E +=λπ。
若均匀带电圆圈的电量为q ，即λπR q 2=，则()2322xRkqxE +=。
讨论1：（1）当x 《R 时，则E =0，相当于圆圈中心处的场强，根据对称性可得场强为零。
（2）当x 》R 时，则2xkqE =，相当于点电荷的场强。
若x →∞时，则有E →0。
模型拓展1：两个彼此平行且共轴的均匀带电圆圈中心轴线上的电场强度 （1）两圆圈带同种电荷例1：（2010年福建卷）物理学中有些问题的结论不一定必须通过计算才能验证，有时只需通过一定的分析就可以判断结论是否正确。
如图2所示为两个彼此平行且共轴的半径分别为R 1和R 2的圆环，两圆环上的电荷量均为q (q >0)，而且电荷均匀分布。
电磁场与电磁波--真空中恒定场的基本规律
=rr
rr
R12 = rr rr
2.3 真空中恒定磁场的基本规律
r
rr
蜒 蜒 r
F12
C2
0
C1 4π
I2dl2
(I1dl1 R132
R12 )
C2
r C1 dF12
r
rr
r dF12
0
4π
I2dl2 (I1dl1 R12 ) R132
对比
r rr dFm Idl B
电流元
r Idl
Er(rr
r ) dl
0
环路定理表明：静电场是无旋场，是保守场，电场力做功与路径无关。
2.2 真空中静电场的基本规律
3. 利用高斯定理计算电场强度 在电场分布具有一定对称性的情况下，可以利用高斯定理计算电场强度。
具有以下几种对称性的场可用高斯定理求解：
• 球对称分布：包括均匀带电的球面，球体和多层同心球壳等。
位于xy 平面上，则所求场点为P (0, 0, z ) , 如图 所示。采用圆柱坐标系，
圆环上的电流元为
位置矢量为 rr erz
r Idl
er
Iad
z ，故得
'
,
其位置矢量为 rr er a，而场点 P 的
rr
rr
r ez
z
r e a,
rr rr (z2 a2)1/2
z
r Idl
(rr
rr)
1 b2 )1/2
z0
0
z0
且
2.2 真空中静电场的基本规律
r E(0,0, z)
r ez
S0z 2 0
1 z
(z2
1 b2 )1/2
z0
静电场练习题
1 q q dE cos 2 4 0 ( x 2 R 2 )3 2 4 0 r
可得该带电圆环在P点产生场强dE的大小为
由于dq为正，故dE方向沿X轴正方向。 将dq带入上式，可得:
注意: dq dE cos 斜边 2 4 0 R
1
则整个半球面在球心P点处产生的场强的大小为:
补充题
q 4π 0 r 2 E q r 4π 0 R 3
(r R)
(r<R)
.p
V E dl E d r E dr E dr
p
p
r
R
R
q(3R 2 r 2 ) V 8 0 R3
9
补充题 两个均匀带电的同心球面，内半径为 R1 ，外半径 为 R2 ， 电量分别为 q1 ， q2 。求内球和外球的电势。
方向沿X轴正方向。
7
均匀带电球面的半径为 R, 总电荷量为 q. 求电场中任 .p 一点p处的电势,并作出V-r图.
补充题
解
： 据高斯通量定理，得
q R
1 q 4 0 r 2 E 0
(r R)
.p
(r R)
Vp E dl E d r Edr
因此，该系统在P点产生总场强的大小为:
x 2 rdr E dE 2 2 3/ 2 4 ( x r ) 0 R
x 2 2 1/ 2 2 0 ( x R )
方向沿X轴正方向。
6
解法二 半径为R的圆孔可以看成是其上均匀地分布 着电荷面密度为+σ和-σ的两种电荷。
解:取坐标轴OX，将带电半球面分成许多宽度 极窄的半径不同的带电圆环，其上任意一个 dq dS 圆环上的带电量为: 为便于计算，可采用角量描述。 因为: dS 2 R sin Rd
叠加法求均匀带电球体电场问题
叠加法求均匀带电球体电场问题郭泓昊;张雅男;李庆芳【摘要】In the existing textbooks,the formula for calculating the electric field intensity on the axis of a uniform charged disk is introduced without the relationship between the relative position of field point to disk and the direction of electric field intensity.If the formula is used to calculate the field intensity distribution of a uniform charged sphere,it will get erroneous results.By introducing symbolic function into the formula of electric field intensity on the axis of the uniform charged disk,the field strength and the direction can be obtained together.Applying the new method to the calculation of electric field of the uniform charged sphere,results are exactly same as the results obtained by Gauss theorem.It is suggested that the formula of electric field intensity on the axis of charged discs should be improved in current textbooks.%现有教材中计算均匀带电圆盘轴线电场强度公式,只得到场强大小,没有明确给出场点和圆盘的相对位置与场强方向之间的关系.若根据场强叠加的方法利用此公式计算均匀带电球体的场强分布,容易得到错误的结果.将符号函数引入均匀带电圆盘轴线上电场强度计算式,可以得到场强大小及相对于圆盘的方向,清楚而准确地给出均匀带电圆盘轴线电场强度.利用该公式再次求解均匀带电球体电场,结果与利用高斯定理得到的结果完全相符.【期刊名称】《物理与工程》【年(卷),期】2018(028)001【总页数】4页(P119-122)【关键词】带电圆盘;叠加法;带电球体;静电场【作者】郭泓昊;张雅男;李庆芳【作者单位】南京信息工程大学,江苏南京 210044;南京信息工程大学,江苏南京210044;南京信息工程大学,江苏南京 210044【正文语种】中文大学物理在静电场章节中，先是讲解了点电荷的电场强度计算方法，然后利用场强叠加原理先后求出均匀带电圆环、均匀带电圆盘等电荷均匀分布的带电体轴线上的电场分布。
9.0静电场之基本内容
空间某点的所产生的场强等于各个 ri是电荷Qi到场点P的矢径。 点电荷在该点产生场强的矢量和 当电荷连续分布时，可将带电体分成许 dE = dq 3 r 4πε 0 r 多点电荷，每个点电荷产生的场强为 全部电荷产生 E = 1 dq r 4πε 0 ∫ r 3 的合场强为 点电荷dq可根据线密度λ， 面密度σ或体密度ρ决定 dq = λdl，dq = σdS和dq = ρdV。
4．典型源电荷的电场 (1)点电荷 E = 1 Q r 4πε 0 r 3 的电场为 其中r是点电荷 Q到场点的矢径。 Q>0 Q<0 r r P E EP
点电荷产生的场强与其电量Q成正比， 与场点到点电荷的距离的平方成反比， 方向在场点到点电荷的连线上。 正点电荷产生场强的方向沿径向向外， 负点电荷产生场强的方向沿径向向内。 (2)无限长均匀带 E = λ r 2 ε 2 π r 电直线的场强为 0
n
θ
E
∫
S
E ⋅ dS 对于封闭的曲面，通常取外
法线方向为曲面的正方向。
7．高斯定理：在静电场中，通过任一闭合曲面(称为高 斯面)的电通量等于该曲面包围的电量的代数和除以ε0
ΦE =
∫
S
E ⋅ dS =
1
ε0
高斯定理说明电场是有源场，正电荷 q ∑ i
i
是电场的源头，负电荷是电场的汇尾。
注意：任何一点的场强E是所有电荷在 该处产生的，而 ∑ qi 是高斯面内的电 i 荷，不包括高斯面外的电荷，因为高 斯面外的电荷产生的电通量为零。
湖南大学物电院周群益第九章第九章静电场静电场基本内容基本内容范例范例92电偶极子的电场电偶极子的电场范例范例93均匀带电线段的电场均匀带电线段的电场范例范例91点电荷的电场点电荷的电场范例范例94平行直线电荷的电场平行直线电荷的电场范例范例95均匀带电圆环圆盘和圆圈在轴线上的电场均匀带电圆环圆盘和圆圈在轴线上的电场范例范例98直线电荷与共面带电线段之间的作用力直线电荷与共面带电线段之间的作用力范例范例97均匀带电圆柱面圆柱体和圆柱壳的电场均匀带电圆柱面圆柱体和圆柱壳的电场范例范例99直线电荷与共面圆弧电荷之间的作用力直线电荷与共面圆弧电荷之间的作用力范例范例910点电荷在有孔带电平面轴线上的运动规律点电荷在有孔带电平面轴线上的运动规律范例范例96均匀带电球面球体以及球壳的电场均匀带电球面球体以及球壳的电场基本内容基本内容1
静电场的环路定理 电场的电势(势函数)：静电场的保守性意味着,对静电场来说,存在着一个由电场中各点位
9-6 电势
物理学教程 （第二版）
三 电势的叠加原理
点电荷系 E Ei
i
VA E dl Ei dl
A
iA
q1
q2 q3
r1 r2 r3
E3
E2
A
E1
VA
VAi
i
i
qi
4π 0ri
电荷连续分布
VP
dq
4π 0r
dqqdrqP
dV
dE
第九章 静电场
9-6 电势
第九章 静电场
9-6 电势
物理学教程 （第二版）
此标量函数（电势）在 A、B 两点的数值之差等 于从A到B移动单位正电荷时静电场力所做的功.
E dl
( EpB
EpA )
AB
q0 q0
q0
E dl AB
(VB
VA )
A
B E
B 点电势
VB
EpB
q0
A 点电势
VA
EpA q0
VA AB E dl VB （ VB为参考电势，值任选）
由
V外 (r)
Q
4π 0r
可得
V (R)
Q
4π 0R
V内
或
V内(r)
R r
E1
dr
R
E2
dr
Q
4π 0R
Q
V外 (r) 4π 0r
Q
V内(r) 4π 0R
V
Q
4 π 0R
oR
Q
4π 0r物理中能量单位 1eV 1.602 1019 J
第九章 静电场
9-6 电势
物理学教程 （第二版）
二 点电荷的电势
大学物理 第11章 静电场
电荷1 电荷1
电场1 电场1
电荷2 电荷2
二、电场强度
描述场中各点电场的强弱变化的物理量——电场强度 电场强度 描述场中各点电场的强弱变化的物理量 ）（正 点电荷——可以准确的测量电场的 （1）（正）点电荷 ）（ 可以准确的测量电场的 试验电 分布 荷条件 足够小 （2）电量足够小——不显著地影响电场的分布 ）电量足够 不显著地影响电场的分布 把试验电荷放到电场 中任意场点，测量受 中任意场点， 力情况，试验表明： 力情况，试验表明： （1）受力与位置（场点）有关 ）受力与位置（场点）
-1
或： ⋅ m -1 V •电场强度单位： 电场强度单位： 电场强度单位 国际单位制 N ⋅ C •定义电场强度后，点电荷（q）处于外场中时受电 定义电场强度后，点电荷（ ） 定义电场强度后 场作用力： 场作用力：
F = qE
三、点电荷电场的电场强度
根据库仑定律， 根据库仑定律，
q2
q1
q1
受到的电场力为
λdx Ex = ∫ cosθ 2 4πε0r
d r= sinθ
y
dE
x =−Hale Waihona Puke ctgθdEyP d
dEx
d dx = 2 dθ sin θ
Ex = ∫
θ2
θ1
r
θ
θ2
x
θ1
θ2
Ey = ∫
θ1
λ λ cos θ dθ = 4πε 0 d 4πε 0 d λ λ sin θ dθ = (cos θ1 − cos θ 2 ) 4πε 0 d 4πε 0 d
x dx Q L x a P
dq Qx d dE = = 2 2 4πε0x 4πε0Lx
E = ∫dE =
09-4静电场的环路定理和电势
19
19
J
一个电子伏特的能量
9.4 静电场的环路定理和电势
9.4.3 电势的计算
一、点电荷q的电场中任一场点的电势
无穷远处为电势零点
V ( P)
P
E dl E dr P Edr P
q q dr 2 r 4 πε r 4πε 0 r 0
电场指向电势降落方向
沿电场线方向移动正电荷，电场力做正功， 正电荷的电势能减少，故电势减小。
9.4 静电场的环路定理和电势
我们的心脏附近 的等电势线（类似于 电偶极子）
9.4 静电场的环路定理和电势
电势差
9.5.2 电场强度与电势梯度 E
U AB VA VB V
U AB E l El cos
9.4 静电场的环路定理和电势
电势是相对的，电势差是绝对的
电势差 U V V PQ P Q
单位：1V＝1J/C
P
Q
E dl
二、电势零点 1、电荷只分布在有限区域时，电势零点通常选在无 穷远处。 VP E dl 设Q点在无限远，VQ=0
P
2、 电荷分布延伸到无限远；可选取场中任一点， 合理选择电势零点可使问题简化。
y
P( x, y)
p cos V 4 π 0 r 2
在图示的Oxy坐标系中
q
r
O
r
r
q
r x y
2 2
2
l
x
cos
x x2 y 2
px V 2 2 3/ 2 4 π 0 ( x y )
9.4 静电场的环路定理和电势
4 静电场的环路定理
高压发生器
静电力做正功， 电势能减少； 静电力做正功， ∆A > 0, WA > WB , 电势能减少； 静电力做负功， 电势能增加。 静电力做负功， ∆A < 0, WA < WB , 电势能增加。
电势能和重力势能一样，是一个相对量， 电势能和重力势能一样，是一个相对量，先要规定电 势能为0的参考点 如果参考点p0确定 的参考点。 确定， 势能为 的参考点。如果参考点 确定，则
R2 q1 R1 o Ⅰ Ⅱ
V=
1
r ≤ R1 R1 ≤ r ≤ R2
Ⅲ
r ≥ R2
无限长均匀带电圆柱面的电场。圆柱半径为R， 例6 无限长均匀带电圆柱面的电场。圆柱半径为 ，单 试求其电势分布。 位长度上的带电量为 + λ ，试求其电势分布。 解：电场分布也应有柱对称性 (1) r <R (2) r >R (2) r >R
∞ r r r r r r = ∫ E1 ⋅ dl + ∫ E2 ⋅ dl + ....... + ∫ En ⋅ dl P P
P ∞ P ∞ ∞
= u1 + u2 + ...... + un = ∑ ui = ∑
i =1
n
P
4πε 0 ri
qi
各点电荷单独存在时在该点电势的代数和 各点电荷单独存在时在该点电势的代数和, 代数和 注意(电势是一个标量) 电势是一个标量 注意 电势是一个标量
无旋场
2. 电势（Electric potential） ）
2.1 电势能
由环路定理知，静电场是保守场。 由环路定理知，静电场是保守场。 保守场必有相应的势能， 保守场必有相应的势能，对静电场 则为电势能。 则为电势能。 静电力的功，等于静电势能的减少。 静电力的功，等于静电势能的减少。