Sila elektrického poľa systému bodového nabitia. Pridanie elektrostatických polí. Princíp superpozície

Jednou z hlavných úloh elektrostatiky je odhadnúť parametre poľa pre dané stacionárne rozloženie náboja v priestore. Jeden spôsob riešenia týchto problémov je založený na princíp superpozície , Jej podstatou je nasledujúca.

Ak je pole vytvorené viacerými bodovými poplatkami, potom poplatok qk pôsobí na testovací poplatok q, ako keby neboli žiadne ďalšie poplatky. Výsledná sila je určená výrazom:

toto je zásada superpozície alebo nezávislosti pôsobenia síl.

pretože , potom - výsledná intenzita poľa v mieste, kde sa nachádza testovací náboj dodržiava zásadu superpozície :

(1.4.1)

Tento vzťah vyjadruje princíp superpozície alebo superpozícia elektrických polí   a predstavuje dôležitú vlastnosť elektrického poľa. Intenzita výsledného poľa, systém bodových nábojov, sa rovná súčtu vektorových intenzít poľa vytvorených v danom bode každým z nich samostatne.

Zvážte uplatňovanie princípu superpozície v prípade poľa vytvoreného elektrickým systémom dvoch nábojov so vzdialenosťou medzi poplatkami rovnajúcimi sa l  (Obrázok 1.2).


   Obr. 1.2

Polia vytvorené rôznymi nábojmi sa navzájom neovplyvňujú, takže vektor výsledného poľa viacerých nábojov môže byť nájdený pravidlom pridania vektorov (pravidlo rovnobežníka)

.
   , a pretože problém je symetrický.

V tomto prípade

  a

preto,

(1.4.2)

Pozrime sa na ďalší príklad. Nájdime intenzitu elektrostatického poľa E, vytvorené dvoma pozitívnymi poplatkami q 1  a q 2  v bode , ktoré sa nachádzajú na diaľku r 1  od prvého a druhého r2  od druhého náboja (obrázok 1.3).


   Obr. 1.3

; .

Používame kosinusovú vetu:

(1.4.3)

kde .

Ak sa vytvorí pole nie bodové poplatky, v takýchto prípadoch sa používa obvyklý príjem. Telo je rozdelené do nekonečných prvkov a určuje intenzitu poľa vytvorenú každým prvkom a potom je integrované do celého tela:

(1.4.4)

Kde je intenzita poľa v dôsledku nabitého prvku. Integrál môže byť lineárny, podľa plochy alebo objemu, v závislosti od tvaru tela. Na vyriešenie takýchto problémov použite príslušné hodnoty hustoty náboja:
  - lineárna hustota náboja meraná v Kl / m;
  - hustota povrchového náboja, meraná v Kl / m2;
- objemová hustota náboja meraná v Kl / m3.

Ak je pole vytvorené zložitými tvarmi nabitých telies a nerovnomerne nabité, potom pomocou princípu superpozície je ťažké nájsť výsledné pole.

(1.4.4), vidíme, že ide o vektorové množstvo:

(1.4.5)

Integrácia nemusí byť jednoduchá. Preto sa na výpočet často používajú iné metódy, o ktorých budeme diskutovať v nasledujúcich témach. Avšak v niektorých relatívne jednoduchých prípadoch možno tieto vzorce analyticky vypočítať.

Je možné zvážiť príklady lineárne rozloženie náboja alebo rozloženie náboja pozdĺž obvodu.

Určte intenzitu elektrického poľa v bode   (Obrázok 1.4) vo vzdialenosti x od nekonečne dlhého, lineárneho, rovnomerne rozloženého náboja. Let λ je poplatok na jednotku dĺžky.


   Obr. 1.4

Predpokladáme, že x je malé v porovnaní s dĺžkou vodiča. Vyberáme súradnicový systém tak, aby sa osa y zhodovala s vodičom. Prvok dlžky dy, nesie náboj Elektrické pole vyrobené týmto prvkom v danom bode .

Akýkoľvek elektrický náboj určitým spôsobom mení vlastnosti okolitého priestoru - vytvára elektrické pole. Táto oblasť sa prejavuje v tom, že náboj umiestnený do nejakého iného miesta prežíva pôsobenie sily. Skúsenosti ukazujú, že sila pôsobiaca na stacionárny náboj Q môže byť vždy reprezentovaná ako, kde je intenzita elektrického poľa. Sila poľa je vyjadrená vo voltoch na meter (V / m). Skúsené skutočnosti naznačujú, že intenzita poľa systému bodových pevných poplatkov sa rovná vektorovému súčtu intenzít poľa, ktorý by vytvoril každý z týchto poplatkov zvlášť :.

Toto tvrdenie sa nazýva princíp superpozície elektrických polí.

Rovnice popisujúce elektrostatické pole vo vákuu majú tvar: (1)

- vektor intenzity elektrického poľa, r - nábojová hustota, e 0 - elektrická konštanta.

Pre elektrostatické pole je okrem diferenciálnych rovníc (1) platný aj integrálny vzťah nazývaný Gaussova veta.

Gaussovu vetu.  Tok vektoru cez ľubovoľnú uzavretú plochu S sa rovná algebraickému súčtu nábojov vo vnútri tohto povrchu vydelený e 0.

Táto veta platí pre výpočet polí pre symetrické rozloženie náboja. Napríklad v prípade rovnomerne nabitého nekonečného vlákna, nekonečného valca, gule, gule.

Vektorové pole, ktorého zvlnenie sa rovná nule, sa nazýva potenciálne pole. Elektrostatické pole je potenciálne pole;

Elektrostatické siločiary začínajú v kladných nábojov a končí na negatívny.

S ohľadom na (2) elektrostatické sily pracovnej oblasti pri pohybe náboja z jedného bodu do druhého, je nezávislá od spôsobu, akým je tento pohyb prebieha, ale iba na počiatočné a konečné body dráhy. Poďme dokázať.

Uvažujme pohyb z bodu A do bodu B na ceste T 1 a T 2 spôsobmi. Pracovné pole sily pri pohybe jednotku kladného náboja v uzavretom okruhu sa skladá z ciest, T 1 a T 2 je

podľa Stokesova veta, tento integrál je miesto, kde S - povrch preklenuté uvažovaného obvodu. Avšak na základe (2) == 0. tak = == 0, teda

.

Vzhľadom k tomu, gradient rotora je vždy nula, všeobecné riešenie rovnice (2) je

Znamienko mínus sa objavil v minulosti, nie je tam žiadny zásadný význam, pričom tomu tak nie je. Ale vďaka tomuto znamení sily vektora ukazujúce v smere klesajúcej potenciál. Elektrostatický potenciál j je pomer potenciálna energia interakcie náboja s poľa na veľkosti tohto náboja. Priamy fyzický pocit rozdiel potenciálu medzi dvoma bodmi v oblasti, ktorá definuje funkciu elektrostatického poľa prevodu náboja z jedného miesta do druhého.

Elektrostatické pole opisujú buď rovnice (1), alebo je Poissonov rovnica pre skalárna potenciálnych j:

Riešenie rovnice (4) má tvar:

(5)

elektrické pole  generovaný elektrický náboj, alebo jednoducho nabitá tela a pôsobí tiež na tieto objekty bez ohľadu na to, či sú v pohybe alebo v pokoji. Keď sú elektricky nabitá telesá upevnený v referenčnom snímke, potom ich interakcie sa vykonáva pomocou elektrostatického poľa. Sily pôsobiace na poplatkov (nabitých častíc) pomocou elektrostatického poľa, tzv elektrostatických síl.

Kvantitatívne charakteristika sily pôsobenia elektrického poľa na nabité častice, a telo slúži ako vektor množstva E, ktorý sa nazýva elektrické pole.

Uvažujme náboj q ako "zdroj" elektrického poľa, ktorý je umiestnený vo vzdialenosti r test jednotky náboja q / = + 1, tj. náboj, ktorý spôsobí, že poplatok prerozdeľovanie generátora poľa. Potom Coulomb na testovacom poplatku zažije silu

preto, vektor elektrostatické pole  V tomto okamihu je číselne rovná sile Pôsobiace na jednotku pozitívny test náboja q /, ktoré v tomto mieste poľa

kde polomer je vektor vychádzajúci z bodového náboja do vyšetrovaného bodu poľa. Jednotka merania intenzity je = /. Napätie je smerované pozdĺž vektora s polomerom od miesta, kde je náboj umiestnený do bodu A (mimo nabíjania, ak je nabíjanie pozitívne a na nabíjanie, ak je náboj záporný).

Elektrické pole je homogénne, ak vektor jeho intenzity je rovnaký vo všetkých bodoch poľa, t.j. zhoduje modulo aj smer. Príkladmi takýchto polí sú elektrostatické polia rovnomerne nabitých nekonečných rovin a plochý kondenzátor ďaleko od okrajov ich dosiek. Pre grafické znázornenie elektrostatického poľa použite silu sily ( napätie) - imaginárne čiary, ktorých dotyčnice sa zhodujú so smerom vektora napätia v každom bode poľa (obr.10.4.- sú reprezentované pevnými čiarami). Hustota čiar je určená modulom napätia v danom bode priestoru.

Riadky napätia sú otvorené - začínajú pozitívne a končia zápornými nábojmi. Silové línie sa nepretínajú nikde, pretože na každom bode poľa má jeho pevnosť jednu hodnotu a určitý smer.

Pozrime sa na elektrické pole dvoch bodových nábojov q 1  a q 2 .


  Nech je intenzita poľa v danom bode a, vytvorené poplatkom q 1  (bez zohľadnenia druhého nabíjania) a a je sila náboja q 2 (bez zohľadnenia prvého nabitia). Sila výsledného poľa (v prítomnosti obidvoch nábojov) možno nájsť pravidlom pridania vektorov (podľa pravidla paralelogramu, obrázok 10.5).

Sila elektrického poľa z niekoľkých nábojov je princíp superpozície elektrostatických polí, podľa ktorého napätie výsledné pole vytvorené systémom poplatkov sa rovná geometrickému súhrnu intenzít poľa vytvorených v danom bode každým z poplatkov oddelene.