Главная > Основные законы электромагнетизма (И.Е. Иродов)
НАПИШУ ВСЁ ЧТО ЗАДАЛИ
СЕКРЕТНЫЙ БОТ В ТЕЛЕГЕ
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Пред.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
След.
Макеты страниц

Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше

Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике

ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO

Еще в $2.1 было отмечено, что определение результирующего поля E в веществе сопряжено с большими трудностями, поскольку мы не знаем заранее, как распределяются индуцированные заряды в веществе. Ясно только, что распределение этих зарядов зависит от природы и формы вещества, а также от конфигурации внешнего поля E0.

Поэтому в общем случае решение вопроса о результирующем поле E в диэлектрике наталкивается на серьезные трудности: определение макрополя E связанных зарядов в каждом конкретном случае представляет собой, вообще говоря, сложную самостоятельную задачу — универсальной формулы для нахождения E, к сожалению, нет.

Исключение составляет случай, когда все пространство, где имеется поле E0, заполнено однородным изотропным диэлектриком. Рассмотрим этот случай более подробно. Представим себе заряженный проводник (или проводники) в вакууме — обычно сторонние заряды располагают на проводниках. Қак мы уже знаем, в состоянии равновесия поле внутри проводника E=0, это при определенном и едипственном распределении поверхностного заряда о. Пусть в окружающем проводник пространстве создано при этом поле E0.

Теперь заполним все пространство, где есть поле, однородным диэлектриком. В таком диэлектрике вслед-

ствие его поляризации появятся только поверхностные связанные заряды σ — на границе с проводником, причем заряды σ однозначно связаны со сторонними зарядами σ на поверхности проводника согласно (3.27).

Внутри же проводника поле по-прежнему будет отсутствовать (E=0 ). Это значит, что распределение поверхностных зарядов (сторонних σ+ связанных σ ) на границе раздела проводника и диэлектрика будет подобно прежнему распределению сторонних зарядов ( σ ), и конфигурация результирующего поля E в диэлектрике останется той же, что и при отсутствии диэлектрика. Изменится только значение поля в каждой точке.

Согласно теореме Гаусса σ+σ=ε0En, где En= =Dn/εε0=σ/εε0, поэтому
σ+σ=σ/ε.

Но если заряды, создающие электрическое поле, всюду на границе раздела уменьшились в ε раз, значит, и само поле E тоже стало всюду меньше поля E0 во столько же раз:
E=E0/ε.

Умножив обе части этого равенства на εε0, получим
D=D0,

поле вектора D в рассматриваемом случае не меняется. Формулы (3.29) и (3.30), оказывается, справедливы и в более общем случае, когда однородный диэлектрик целиком заполняет объем между эквипотенциальными поверхностями поля E0 сторонних зарядов (или внешнего поля). И здесь внутри диэлектрика E=E0/ε и D=D0.

В указанных случаях напряженность E поля связанных зарядов находится в простой связи с поляризованностью P диэлектрика, а именно
E=P/ε0.

Это соотношение легко получить из формулы E=E0+E, если учесть, что E0=εE и P=xε0E.

В других случаях, как уже было отмечено, дело обстоит значительно сложнее, и формулы (3.29)-(3.31) становятся не справедливыми.

Следствия.
Итак, если однородный диэлектрик заполняет все пространство, занимаемое полем, то напряженность E поля будет в ε раз меньше напряженности E0

поля тех же сторонних зарядов, но при отсутствии диэлектрика. Отсюда следует, что потенциал φ во всех точках также уменьшается в ε раз:
φ=φ0/ε,

где φ0 — потенциал поля в отсутствие диэлектрика. Это же относится и к разности потенциалов
U=U0/ε

где U0 — разность потенциалов в вакууме, без диэлектрика.

В простейшем случае, когда однородный диэлектрик заполняет все пространство между обкладками конденсатора, разность потенциалов U между его обкладками будет в ε раз меньше, чем при отсутствии диэлектрика (разумеется, при том же значении заряда q на обкладках). А раз так, то емкость конденсатора (C=q/U) при заполнение его диэлектриком увеличится в ε раз:
C=εC,

где C — емкость конденсатора без диэлектрика. Следует обратить внимание на то, что эта формула справедлива при заполнении всего пространства между обкладками конденсатора и без учета краевых эффектов.

Задачи

3.1. Поляризованность диэлектрика и связанный заряд. Точечный сторонний заряд q находится в центре сферического слоя неоднородного изотропного диэлектрика, проницаемость которого изменяется только в радиальном направлении по закону ε=α/r, где α постоянная, r расстояние от центра системы. Найти объемную плотность ρ связанных зарядов как функцию r внутри слоя.

Решен и е. Воспользуемся уравнением (3.6), взяв в качестве замкнутой поверхности сферу радиусом r, центр которой совпадает с центром системы. Тогда
4πr2Pr=q(r),

где q(r) — связанный заряд внутри этой сферы. Запишем дифференциал этого выражения:
4πd(r2Pr)=dq.

Здесь dq — связанный заряд в тонком слое между сферами

радиусов r и r+dr. Имея в виду, что dq=ρ4πr2 dr, преобразуем (1) к виду
r2 dPr+2rPr dr=ρr2 dr

откуда
ρ=(dPr dr+2rPr).

В нашем случае
Pr=xε0Er=ε1εDr=ε1εq4πr2,

и выражение (2) после соответствующих преобразований будет иметь вид
ρ=14παqr2.

Это и есть искомый результат.

3.2. Теорема Гаусса для вектора D. Бесконечно большая пластина из однородного диэлектрика с проницаемостью ε заряжена равномерно сторонним зарядом с объемной плотностью ρ>0. Толщина пластины 2a. Найти: 1) модуль вектора Е и потенциал φ как функции расстояния l от середины пластины (потенциал в середине пластины положить равным нулю); взяв координатную ось X перпендикулярно пластине, изобразить примерные графики зависимостей проекции Ex(x) вектора Е и потенциала φ(x); 2) поверхностную и объемную плотности связанного заряда.

Решение. 1.
Из соображений симметрии ясно, что в середине пластины E=0, а во всех остальных точках вектор E перпендикулярен поверхности пластины. Для определения E

Рис. 3.11
Рис. 3.12

воспользуемся теоремой Гаусса для вектора D (ибо нам известно распределение только сторонних зарядов). Возьмем в качестве замкнутой поверхности прямой цилиндр высотой l,

один торец которого совпадает со средней плоскостью пластины. Пусть площадь сечения этого цилиндра равна S, тогда
DS=ρSl,D=ρl,E=ρl/εε0(la),DS=ρSa,D=ρa,E=ρa/ε0(la).

Графики функций Ex(x) и φ(x) показаны на рис. 3.11. Полезно убедиться, что графнк Ex(x) соответствует производной φ/x.
2. Согласно (3.13) поверхностная плотность связанного заряда
σ=Pn=κε0En=(ε1)ρa/ε=ε1ερa>0.

Этот результат справедлив для обеих поверхностей пластины. Таким образом, если сторонний заряд ρ>0, то на обеих поверхностях пластины выступит также положительный связанный заряд.

Для определения объемной плотности связанного заряда воспользуемся уравнением (3.9), которое в нашем случае будет иметь наиболее простой вид:
ρ=Pxx=x(ε1ερx)=ε1ερ.

Отсюда видно, что связанный заряд распределен по объему равномерно и имеет знак, противоположный стороннему заряду.

3.3. Однородный диэлектрик имеет вид сферического слоя, внутренний и внешний радиусы которого равны а и . Изобразить примерные графики напряженности Е и потенциала 甲 электрического поля как функции расстояния r от центра системы, если диэлектрику сообщили положительный сторонний заряд, распределенный равномерно: 1) по внутренней поверхности слоя; 2) по объему слоя.

Решение. 1. Воспользуемся теоремой Гаусса для вектора D, взяв в качестве замкнутой поверхности сферу радиусом r :
4πr2d=q,

где q — сторонний заряд внутри этой сферы. Отсюда следует, что
D(r<a)=0,D(r>a)=q/4πr2.

Искомая напряженность
E(r<a)=0,E(r>a)=D/εε0.

График зависимости E(r) показан на рис. 3.12 , a. На этом же рисунке изображен и график зависимости φ от r. График φ(r) должен иметь такой вид, чтобы производная φ/r, взятая с обратным знаком, соответствовала графику функции E(r).

При этом должно быть учтено и условие нормировки: φ0 при r.

Следует обратить внимание на то, что график φ(r) является непрерывным. В местах конечных разрывов функции E(r) график φ(r) испытывает лишь изломы.
2. В данном случае согласно теореме Гаусса
4πr2D=4/3π(r3a3)ρ,

где ρ — объемная плотность стороннего заряда. Отсюда
E=Dεε0=ρ3ε0εr3a3r2.

Соответствующие графики зависимостей E(r) и φ(r) показаны на рис. 3.12, б.

3.4. Сторонние заряды равномерно распределены с объемной плотностью ρ>0 по шару радиусом а из однородного диэлектрика с проницаемостью \&. Найти: 1) модуль вектора Е как функцию расстояния r от центра шара, изобразить примерные графики функции E(r) и потенциала φ(r);2 ) поверхностную и объемную плотности связанных зарядов.

Решение е. 1. Для определения E воспользуемся теоремой Гаусса для вектора D, поскольку задано распределение лишь сторонних зарядов:
ra,4πr2D=4/3πr3ρ,D=ρ3r,E=Dεε0=ρ3εε0r,ra,4πr2D=4/3πa3ρ,D=ρa33r2,E=Dε0=ρa33ε01r2.

Графики функций E(r) и φ(r) показаны на рис. 3.13.
2. Поверхностная плотность связанного заряда
σ=Pn=ε1ερa3.

Для нахождения объемной плотности связанных зарядов достаточно повторить рассуждения, которые привели нас к формуле (3.11), и мы получим
ρ=ε1ερ.

Этот результат можно получить и иначе — с помощью уравнения (3.9). А именно, так как P=xε0E и x не зависит от координат (внутри шара), то
ρ=ablaP=xε0ablaE,

где ε0ablaE=ρ+ρ. Поэтому ρ=x(ρ+ρ), откуда и следует (1).

3.5. Емкость проводника. Найти емкость шарового проводника радиусом а, окруженного примыкающим к нему слоем однородного диэлектрика с наружным радиусом в и про-

ницаемостью в. Изобразить примерные графики зависимостей поля E(r) и потенциала φ(r), где r-расстояние от центра шара, если проводник заряжен положительно.

Рис. 3.13
Рис. 3.14

Решение.
По определению емкость C=q/φ. Найдем потенциал φ проводника, мысленно сообщив ему заряд q :
φ=aEr dr=14πε0abqεr2 dr+14πε0bqr2 dr.

После интегрирования этого выражения получим:
φ=q4πε0ε(1a+ε1b),C=4πε0εa1+(ε1)a/b.

Графики зависимостей E(r) и φ(r) показаны на рис. 3.14.
— 3.6. Емкость конденсатора. Сферический конденсатор c радиусами обкладок а и b, где a<b, заполнен изотропным, но неоднородным диэлектриком, проницаемость которого зависит от расстояния r до центра системы как ε=α/r,α — постоянная. Найти емкость такого конденсатора.

Р ешение. Согласно определению емкости конденсатора ( C=q/U ) задача сводится к нахождению разности потенциалов U при заданном заряде q :
U=abE dr

где предполагается, что внутренняя обкладка имеет заряд q>0. Определим E с помощью теоремы Гаусса для вектора D:
4πr2D=q,E=Dεε0=14πε0qεr2=14πε0qαr.

После подстановки последнего выражения в (1) и соответствующего интегрирования найдем:
U=q4πε0αlnba,C=4πε0αln(b/a).

3.7. Теорема Гаусса и принцип суперпозиции. Имеется диэлектрический шар, который сохраняет состояние поляризации после выключения внешнего электрического поля. Если шар поляризован однородно, то напряженность поля внутри него E= =P/3ε0, где P — поляризованность.
1. Получить эту формулу, считая что т а к поляризованный шар есть результат малого сдвига всех положительных зарядов диэлектрика относительно всех отрицательных зарядов. 2. Воспользовавшись этой формулой, найти напряженность E0 поля в сферической полости внутри безграничного статически поляризованного (P) диэлектрика, если вдали от полости напряженность в диэлектрике равна E.
Рис. 3.15
Решение. 1. Представим такой шар в виде двух шаров одинакового радиуса, имеющих равномерно распределенные заряды с плотностями ρ и — ρ. Пусть в результате малого сдвига центры шаров сместились относительно друг друга на расстояние 1 (рис. 3.15). Тогда в произвольной точке A внутри шара
E=E++E=ρ3ε0(r+r)=ρI3ε0,

где использовано, что напряженность поля внутри равномерно заряженного шара E=ρr/3ε0, это непосредственно следует из теоремы Гаусса. Остается учесть, что согласно (3.4) ρl=P.
2. Создание сферической полости в диэлектрике эквивалентно удалению шарика из поляризованного вещества. Поэтому по принципу суперпозиции поле E внутри диэлектрика может быть представлено как сумма E=E+E0. Отсюда
E0=EE=E+P/3ε0.
Т. е. поле в сферической полости больше поля E в диэлектрике на величину P/3ε0.

3.8. Граничные условия. Вблизи точки A (рис. 3.16) границы раздела диэлектрик — вакуум напряженность электрического поля в вакууме равна E0, причем вектор E0 составляет угол α0 с нормалью к поверхности раздела в данной точке. Проницаемость диэлектрика є. Найти отношение E/E0, где E напряженность поля внутри диэлектрика вблизи точки A. Решение. Напряженность поля внутри диэлектрика
E=Eτ2+En2.

Воспользовавшись условиями (3.22) и (3.24) на границе раздела диэлектриков, найдем:
Eτ=E0sinα0,En=Dn/εε0=E0n/ε=E0cosα0/ε,

где E0n — нормальная составляющая вектора E0 в вакууме. Подставив эти выражения в (1), получим
EE0=sin2α0+cos2α0ε2<1,
т. е. E<E0.

3.9. Точечный заряд q находится в вакууме на расстоянии l от плоской поверхности однородного диэлектрика,

Рис. 3.16
Рис. 3.17

заполняющего все полупространство. Проницаемость диэлектрика в. Найти: 1) поверхностную плотность связанных зарядов как функцию расстояния r от точечного заряда q, исследовать полученный результат; 2) суммарный связанный заряд на поверхности диэлектрика.

Решени е. 1. Воспользуемся непрерывностью нормальной составляющей вектора D на границе диэлектрика (рис. 3.17):
D2n=D1n,E2n=εE1n

или
14πε0qr2cosθ+σ2ε0=ε(14πεθqr2cosθσ2ε0),

где слагаемое σ/2ε0 — это составляющая напряженности поля, создаваемая вблизи рассматриваемого участка плоскости, на котором поверхностная плотность заряда равна σ. Из последнего уравнения следует, что
σ=ε1ε+1ql2πr3.

Здесь учтено, что cosϑ=l/r. При l0 величина σ0, т. е. если заряд q находится на самой границе раздела, то поверх-

ностный заряд на плоскости отсутствует.
2. Рассмотрим тонкое кольцо на границе раздела с центром в точке O (рис. 3.17). Пусть внутренний и внешний радиусы этого кольца r и r+dr. Поверхностный связанный заряд в пределах данного кольца dq=σ2πrdr. Из рисунка видно, что r2=l2+r2, откуда r dr=rdr, и выражение для dq с учетом (1) приобретет вид
dq=ε1ε+1qldrr2.

Проинтегрировав это уравнение по r от l до , получим
q=ε1ε+1q.

3.10. Точечный заряд q находится на плоскости, отделяющей вакуум от безграничного однородного диэлектрика с проницаемостью \&. Найти модуль векторов D и E во всем пространстве.

Решение В данном случае из условия непрерывности нормальной составляющей вектора D следует, что E2n=εE1n. Вклад в нормальную составляющую вектора E будет давать только поверхностный заряд σ вблизи интересующей нас точки, поэтому предыдущее равенство можно переписать так:
σ/2ε0=ε(σ/2ε0).

Отсюда сразу видно, что σ=0.

Итак, в данном случае поверхностный связанный заряд отсутствует (кроме точек, непосред-

Рис. 3.18

ственно прилегающих к точечному стороннему заряду q ). Значит, электрическое поле в окружающем пространстве — это поле точечного заряда q+q, и E зависит только от расстояния r до этого заряда. Но заряд q нам не известен, поэтому воспользуемся теоремой Гаусса для вектора D. Взяв в качестве замкнутой поверхности сферу радиусом r с центром в точке нахождения заряда q, запишем
2πr2D0+2πr2D=q,

где D0 и D — модули вектора D соответственно в вакууме и диэлектрике на расстоянии r от заряда q.

Кроме того, из условия непрерывности тангенциальной составляющей вектора E следует, что
D=εD0.

Из последних двух условий находим, что
D0=q2π(1+ε)r2,D=εq2π(1+ε)r2,

и напряженность электрического поля во всем пространстве
E=D0ε0=q2π(1+ε)ε0r2.

Видно, что при ε=1 эти. формулы переходят в известные нам выражения для D и E точечного заряда в вакууме.

Полученные результаты графически представлены на рис. 3.18. Следует обратить внимание на то, что поле D в данном случае определяется не только сторонними зарядами (иначе оно имело бы вид поля точечного заряда).

1
Оглавление
email@scask.ru