Kā tiek aprēķināta viena punkta lādiņa lauka intensitāte. Elektrostatiskā lauka intensitāte. Punkta lādiņa lauka stiprums un punktlādiņu sistēma. Lauka pārklājuma princips

Elektriskais lauks tiek radīts ar elektriskiem lādiņiem vai vienkārši uzlādētiem ķermeņiem, kā arī iedarbojas uz šiem objektiem neatkarīgi no tā, vai tie ir kustīgi vai nekustīgi. Ja elektriski lādēti ķermeņi noteiktā atskaites sistēmā ir nekustīgi, tad to mijiedarbība notiek ar elektrostatiskā lauka palīdzību. Spēkus, kas iedarbojas uz lādiņiem (uzlādētām daļiņām) no elektrostatiskā lauka, sauc par elektrostatiskajiem spēkiem.

Spēka darbības kvantitatīvais raksturojums elektriskais lauks uz uzlādētām daļiņām un ķermeņiem ir vektora lielums E, ko sauc par elektriskā lauka intensitāti.

Aplūkosim lādiņu q par elektriskā lauka "avotu", kurā ir novietots vienības pārbaudes lādiņš q / =+1 attālumā r, t.i. lādiņš, kas neizraisa lauku veidojošo lādiņu pārdali. Pēc tam saskaņā ar Kulona likumu spēku iedarbosies uz tiesas apsūdzību

Sekojoši, elektrostatiskā lauka intensitātes vektorsšajā punktā ir skaitliski vienāds ar spēku iedarbojoties uz testa vienības pozitīvu lādiņu q /, kas novietots šajā lauka punktā

kur rādiuss - vektors, kas novilkts no punktveida lādiņa uz lauka pētāmo punktu. Sprieguma mērvienība ir = / . Spriegums ir vērsts pa rādiusu - vektoru, kas novilkts no punkta, kur atrodas lādiņš, uz punktu A (prom no lādiņa, ja lādiņš ir pozitīvs, un pret lādiņu - ja lādiņš ir negatīvs).

Elektrisko lauku sauc par viendabīgu, ja tā intensitātes vektors visos lauka punktos ir vienāds, t.i. sakrīt gan pēc moduļa, gan virzienā. Šādu lauku piemēri ir vienmērīgi uzlādētas bezgalīgas plaknes elektrostatiskie lauki un plakans kondensators prom no tā plākšņu malām. Elektrostatiskā lauka grafiskam attēlojumam tiek izmantotas spēka līnijas ( spriegojuma līnijas) - iedomātas līnijas, kuru pieskares katrā lauka punktā sakrīt ar intensitātes vektora virzienu (10.4. att. - attēlotas ar nepārtrauktām līnijām). Līniju blīvumu nosaka spriedzes modulis noteiktā telpas punktā.

Spriegojuma līnijas ir atvērtas - tās sākas ar pozitīvu un beidzas ar negatīviem lādiņiem. spēka līnijas nekur nekrustojas, jo katrā lauka punktā tās intensitātei ir viena vērtība un noteikts virziens.

Apsveriet divu punktu lādiņu elektrisko lauku q 1 un q2 .


Ļaut būt lauka stiprumam punktā a, ko rada lādiņš q 1(neņemot vērā otro lādiņu), un - lādiņa lauka stiprums q 2 (neņemot vērā pirmo lādiņu). Iegūtā lauka stiprumu (abu lādiņu klātbūtnē) var atrast pēc vektoru saskaitīšanas likuma (pēc paralelograma likuma, 10.5. att.).

Elektriskā lauka stiprums no vairākiem lādiņiem ir elektrostatisko lauku superpozīcijas princips, saskaņā ar kuru spriedze lādiņu sistēmas radītā lauka intensitāte ir vienāda ar lauka intensitātes ģeometrisko summu, ko noteiktā punktā rada katra lādiņa atsevišķi.

Viens no galvenajiem elektrostatikas uzdevumiem ir novērtēt lauka parametrus noteiktam, stacionāram, lādiņu sadalījumam telpā. Viens no veidiem, kā atrisināt šādas problēmas, ir balstīts uz superpozīcijas princips . Tās būtība ir šāda.

Ja lauku veido vairāki punktveida lādiņi, tad testa lādiņu q ietekmē lādiņš qk tā, it kā citu lādiņu nebūtu. Iegūto spēku nosaka izteiksme:

tas ir superpozīcijas jeb spēku darbības neatkarības princips.

Jo , tad ir arī iegūtais lauka stiprums punktā, kur atrodas testa lādiņš pakļaujas superpozīcijas principam :

(1.4.1)

Šī attiecība izsaka superpozīcijas principu vai elektrisko lauku superpozīcijas un ir svarīga elektriskā lauka īpašība. Punktu lādiņu sistēmas iegūtā lauka intensitāte ir vienāda ar lauku intensitātes vektoru summu, ko katrs no tiem rada noteiktā punktā atsevišķi.

Apsveriet superpozīcijas principa piemērošanu lauka gadījumā, ko rada divu lādiņu elektriskā sistēma ar attālumu starp lādiņiem, kas vienāds ar l(1.2. att.).


Rīsi. 1.2

Dažādu lādiņu radītie lauki viens otru neietekmē, tāpēc iegūtā vairāku lādiņu lauka vektoru var atrast pēc vektoru saskaitīšanas likuma (paralelogrammas noteikums)

.
, un , jo problēma ir simetriska.

Šajā gadījumā

un

Sekojoši,

(1.4.2)

Apskatīsim citu piemēru. Atrodiet elektrostatiskā lauka stiprumu E ko rada divi pozitīvi lādiņi q 1 un q2 punktā BET atrodas attālumā r1 no pirmā un r2 no otrā lādiņa (1.3. att.).


Rīsi. 1.3

; .

Izmantosim kosinusu teorēmu:

(1.4.3)

Kur .

Ja lauks ir izveidots nevis punktu maksas, tad tiek izmantota šādos gadījumos ierastā tehnika. Korpuss tiek sadalīts bezgalīgi mazos elementos un tiek noteikts katra elementa radītais lauka stiprums, pēc tam integrēts visā ķermenī:

(1.4.4)

Kur ir lauka stiprums uzlādētā elementa dēļ. Integrālis var būt lineārs, virs platības vai tilpuma, atkarībā no korpusa formas. Lai atrisinātu šādas problēmas, izmantojiet atbilstošās lādiņa blīvuma vērtības:
– lineārais lādiņa blīvums, mērīts C/m;
ir virsmas lādiņa blīvums, ko mēra C/m2;
ir tilpuma lādiņa blīvums, ko mēra C/m3.

Ja lauku veido lādēti sarežģītas formas un nevienmērīgi lādēti ķermeņi, tad, izmantojot superpozīcijas principu, iegūto lauku ir grūti atrast.

formulu (1.4.4) mēs redzam, ka tas ir vektora lielums:

(1.4.5)

Tāpēc integrācija var būt sarežģīta. Tāpēc aprēķiniem bieži tiek izmantotas citas metodes, par kurām mēs runāsim turpmākajās tēmās. Tomēr dažos samērā vienkāršos gadījumos šīs formulas ļauj analītiski aprēķināt .

Kā piemērus apsveriet lineārā lādiņa sadale vai cirkulārā lādiņa sadale.

Noteiksim elektriskā lauka stiprumu punktā BET(1.4. att.) attālumā x no bezgala gara, lineāra, vienmērīgi sadalīta lādiņa. Pieņemsim, ka λ ir lādiņš uz garuma vienību.


Rīsi. 1.4

Mēs pieņemam, ka x ir mazs salīdzinājumā ar vadītāja garumu. Izvēlēsimies koordinātu sistēmu, lai y ass sakristu ar vadītāju. Garuma elements dy, nes lādiņu Elektriskā lauka stiprums, ko šis elements rada punktā BET.

Jebkurš elektriskais lādiņš zināmā veidā maina apkārtējās telpas īpašības – tas rada elektrisko lauku. Šis lauks izpaužas faktā, ka kāds cits, "izmēģinājuma" lādiņš, kas novietots jebkurā no tā punktiem, piedzīvo spēka darbību. Pieredze rāda, ka spēku, kas iedarbojas uz fiksētu lādiņu Q, vienmēr var attēlot kā , kur ir elektriskā lauka stiprums. Lauka stiprumu izsaka voltos uz metru (V/m). Eksperimentālie fakti liecina, ka punktveida fiksēto lādiņu sistēmas lauka intensitāte ir vienāda ar lauka intensitātes vektoru summu, ko katrs no lādiņiem radītu atsevišķi: .

Šo apgalvojumu sauc par elektrisko lauku superpozīcijas principu.

Vienādojumi, kas apraksta elektrostatisko lauku vakuumā, ir: (1)

ir elektriskā lauka intensitātes vektors, r ir lādiņa blīvums, e 0 ir elektriskā konstante.

Elektrostatiskajam laukam, izņemot diferenciālvienādojumi(1) integrāļa sakarība, ko sauc par Gausa teorēmu, ir derīga.

Gausa teorēma. Vektora plūsma caur patvaļīgu slēgtu virsmu S ir vienāda ar šīs virsmas iekšpusē esošo lādiņu algebrisko summu, kas dalīta ar e 0 .

Šo teorēmu izmanto, lai aprēķinātu laukus simetriskam lādiņa sadalījumam. Piemēram, vienmērīgi uzlādēta bezgalīga pavediena gadījumā bezgalīgs cilindrs, sfēra, lode.

Vektoru lauku, kura rotors ir vienāds ar nulli, sauc par potenciālu. Elektrostatiskais lauks ir potenciāls, jo.

Elektrostatiskā lauka intensitātes līnijas sākas ar pozitīviem lādiņiem un beidzas ar negatīviem lādiņiem.

Saskaņā ar (2) elektrostatiskajā laukā lauka spēku darbs, pārvietojot lādiņu no viena punkta uz otru, nav atkarīgs no ceļa, pa kuru šī kustība tiek veikta, bet ir atkarīgs tikai no lādiņa sākuma un beigu punktiem. ceļš. Pierādīsim to.

Apsveriet kustību no punkta A uz punktu B pa ceļu G 1 un ceļu G 2. Lauka spēku darbs, pārvietojot vienu pozitīvu lādiņu pa slēgtu ķēdi, kas sastāv no ceļiem Г 1 un Г 2, ir vienāds ar

pēc Stoksa teorēmas šis integrālis ir vienāds ar , kur S ir aplūkojamās kontūras aptvertā virsma. Bet sakarā ar (2) ==0. Tātad = ==0, tas ir,

.

Tā kā gradienta čokurošanās vienmēr ir nulle, tad kopīgs risinājums vienādojums (2) ir

Mīnusa zīme radās vēsturiski, tai nav principiālas nozīmes. Bet šīs zīmes dēļ spriedzes vektors ir vērsts uz potenciāla samazināšanos. Elektrostatiskais potenciāls j ir vienāds ar lādiņa mijiedarbības ar lauku potenciālās enerģijas attiecību pret šī lādiņa lielumu. Tiešā fiziskā nozīme ir divu lauka punktu potenciālu starpība, kas nosaka elektrostatiskā lauka darbu lādiņa pārnešanai no viena punkta uz otru.

Elektrostatisko lauku apraksta vai nu ar vienādojumu (1), vai ar Puasona vienādojumu skalārajam potenciālam j:

(4) vienādojuma risinājumam ir šāda forma:

(5)