知识点
无限长均匀带电直线的电场分布。
电偶极子的电场分布。
电学基本概念
电荷、电荷守恒、电荷量子化(最小电荷为电子电荷)、点电荷模型(忽略大小和形状)
高斯定理:描述带电量和电场的关系
库伦定理:力与带电量的关系
电场与电场强度
电荷间电相互作用的传递是需要通过电场媒介传播的,因此需要一段时间。
基本的计算方法是叠加法,这里我们使用叠加法,先计算圆环,通过叠加同心圆环,得到圆盘的电场强度,通过叠加圆盘,得到圆锥的电场强度,对于圆盘,取半径趋于无穷大,可以得到平面的电场分布,通过叠加平面,可以得到有厚度平板的电场分布。
直线的电场分布
无限长均匀带电直线
给出和直线两端连线的夹角
无限长带电直线:.
半无限长带电直线:.
带电圆环
电荷 均匀分布在半径为 的圆环上,计算离圆环中心 处点的场强。
长度所带的电量:
然后:
带电圆盘
均匀带电圆盘,半径为 ,面电荷密度为 ,则
对应 ,则
总电场为:
若令 点和圆盘边沿形成的直线和 轴成的夹角为 ,也可以表示为:
讨论:
电势:
带电圆锥
求高为 ,底面半径为 的均匀带电锥体(电荷体密度为 )在顶点处的电场强度。
可以看做圆盘的叠加,在高度为 处取高度为 的圆盘切面,则半径为 ,电荷面密度为 。对顶点处场强的贡献为:
其中 ,为常数,因此:
. 如果不是在圆锥的顶点处,情况会更加复杂,因为 不是一个常数。
带电有厚度平板
带电平板厚度为 ,电荷体密度为 ,求板外场强大小。
等效面电荷密度:,则:
高斯定理
电场线
曲线上每一点的切线方向代表电场强度 的方向。
曲线的疏密表示该点处场强 的大小,即通过垂直单位面积的电场线条数。
电场线起始于正电荷,终止于负电荷。
电场线不闭合,不相交。
电通量
电通量 的定义,通过电场中任一曲面的电场线条数:
通过任意曲面的电通量如何计算:
高斯定理
高斯定理:定量描述源电荷和电通量的关系。
高斯定理
相对于库伦定理,高斯定理更加根本。
取球面包含点电荷
立体角的定义 面元 边缘各点到 点连线形成锥体的顶角。
由库伦定理证明高斯定理
点电荷的情况:
高斯定理的微分形式:
利用数学上的高斯定理:
得到
对电荷分布具有高度对称的情况,可以借助于高斯定理。
高斯定理的应用
求无限长均匀带电直线的电场分布,取半径为 的圆柱面,长为 :
(顶面和地面的电通量都为 0)
求均匀带电球体的场强分布。(已知球体半径为R,电荷密度为r)
根据 对称性分析,电场分布也应具有球对称性。
且电场强度方向沿径向。
可以选择以球面为中心的球面为 Gauss 面。
球面为中心:
球体内一点的场强,取 :
无限大均匀带电平面的电场分布(电荷面密度为s)
根据 对称性分析,电场分布应具有(1)沿平面方向的平移对称性,即离开平面相同距离的地方场强大小相等;
(2)对平面的反演对称性,即平面前后相同距离的地方场强大小相等;
(3)电场方向沿垂直于平板平面方向。
遇到有限尺寸的物体,不方便用高斯定理。如果能过拆分成若干具有对称性的物体也可以。
无限大平面挖掉圆盘:
环流定理 电势
电势能怎么求?
先从点电荷做功开始:
受到的电磁力:.
移动 ,电场力做功:.
当路径从 到 ,比较复杂,则
电势能改变为:
静电场力做功的特点
点电荷:.
极坐标系下,. .
因此 .
所以是保守场。
电势能的定义:.
电势的定义:. . .
点电荷电势:
任意带电体的电势:
由电势定义式出发进行计算 .
对于点电荷系:
对于连续电荷分布,有: 或 .
环路定理:
计算均匀带电球面的电势分布。
均匀带电球面的电场分布为:
当在球内:
当在球外:
电势与电场强度的微分关系
等势面 将电势相等的场点连成连续的曲面,满足 . 通常约定相邻等势面的电势差为常量。
在直角坐标系中,
在极坐标系中,
得到 .
也可以这么考虑,在 方向,没有变化,但是在 方向,变化 ,代表经过 的长度,因此
计算电偶极子电场的电势和电场强度
思路一:先计算电势,再通过梯度求电场强度。因为 ,:
使用式子 ,得到 .
因此衰减程度是三次方。
思路二:求电场、求电势。
电偶极子受力:.
力矩:,.
电势能:.