Różniczkowe prawo Gaussa i co z niego wynika...

Podobne dokumenty
Potencjał pola elektrycznego

Fale elektromagnetyczne

Analiza wektorowa. Teoria pola.

Rozdział 5. Twierdzenia całkowe. 5.1 Twierdzenie o potencjale. Będziemy rozpatrywać całki krzywoliniowe liczone wzdłuż krzywej C w przestrzeni

Elektrostatyka. Potencjał pola elektrycznego Prawo Gaussa

MECHANIKA II. Praca i energia punktu materialnego

Fale elektromagnetyczne. Gradient pola. Gradient pola... Gradient pola... Notatki. Notatki. Notatki. Notatki. dr inż. Ireneusz Owczarek 2013/14

Rozdział 6. Równania Maxwella. 6.1 Pierwsza para

Teoria pola elektromagnetycznego

Wyprowadzenie prawa Gaussa z prawa Coulomba

METODY MATEMATYCZNE I STATYSTYCZNE W INŻYNIERII CHEMICZNEJ

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Ładunek elektryczny. Zastosowanie równania Laplace a w elektro- i magnetostatyce. Joanna Wojtal. Wprowadzenie. Podstawowe cechy pól siłowych

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Elektrostatyka, cz. 1

kondensatory Jednostkę pojemności [Q/V] przyjęto nazywać faradem i oznaczać literą F.

1. Podstawy matematyki

Siły zachowawcze i energia potencjalna. Katarzyna Sznajd-Weron Mechanika i termodynamika dla matematyki stosowanej 2017/18

Siły zachowawcze i energia potencjalna. Katarzyna Sznajd-Weron Mechanika i termodynamika dla matematyki stosowanej 2017/18

Podstawy fizyki sezon 1 III. Praca i energia

cz. 2. dr inż. Zbigniew Szklarski

Przewodniki w polu elektrycznym

Pole elektryczne. Zjawiska elektryczne często opisujemy za pomocą pojęcia pola elektrycznego wytwarzanego przez ładunek w otaczającej go przestrzeni.

Fizyka 2 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Elektrostatyka. Prawo Coulomba Natężenie pola elektrycznego Energia potencjalna pola elektrycznego

Księgarnia PWN: David J. Griffiths - Podstawy elektrodynamiki

Z52: Algebra liniowa Zagadnienie: Zastosowania algebry liniowej Zadanie: Operatory różniczkowania, zagadnienie brzegowe.

Równania dla potencjałów zależnych od czasu

RÓWNANIA MAXWELLA. Czy pole magnetyczne może stać się źródłem pola elektrycznego? Czy pole elektryczne może stać się źródłem pola magnetycznego?

Bardziej formalnie, wektor to wielkość, której współrzędne zmieniają się w określony sposób przy obrót prostokątnego układu współrzędnych.

Q t lub precyzyjniej w postaci różniczkowej. dq dt Jednostką natężenia prądu jest amper oznaczany przez A.

Wymiana ciepła. Ładunek jest skwantowany. q=n. e gdzie n = ±1, ±2, ±3 [1C = 6, e] e=1, C

Równania Maxwella redukują się w przypadku statycznego pola elektrycznego do postaci: D= E

Elektrostatyczna energia potencjalna U

Strumień pola elektrycznego i prawo Gaussa

Podstawy elektrodynamiki / David J. Griffiths. - wyd. 2, dodr. 3. Warszawa, 2011 Spis treści. Przedmowa 11

Teoria Pola Elektromagnetycznego

Ładunki elektryczne. q = ne. Zasada zachowania ładunku. Ładunek jest cechąciała i nie można go wydzielićz materii. Ładunki jednoimienne odpychają się

MECHANIKA 2. Zasady pracy i energii. Wykład Nr 12. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Linie sił pola elektrycznego

W. Np. pole prędkości cieczy lub gazu, pole grawitacyjne, pole elektrostatyczne, magnetyczne.

Podstawy elektromagnetyzmu. Wykład 1. Rachunek wektorowy

Magnetostatyka. Bieguny magnetyczne zawsze występują razem. Nie istnieje monopol magnetyczny - samodzielny biegun północny lub południowy.

Część IV. Elektryczność i Magnetyzm

opracował Maciej Grzesiak Analiza wektorowa

cz. 2. dr inż. Zbigniew Szklarski

Pojemność elektryczna

MECHANIKA 2. Zasady pracy i energii. Wykład Nr 12. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Energia potencjalna pola elektrostatycznego ładunku punktowego

Elektrodynamika. Część 5. Pola magnetyczne w materii. Ryszard Tanaś. Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

1. BILANSOWANIE WIELKOŚCI FIZYCZNYCH

Pole elektromagnetyczne. Równania Maxwella

Elektryczność i magnetyzm

Pole elektromagnetyczne

Strumień Prawo Gaussa Rozkład ładunku Płaszczyzna Płaszczyzny Prawo Gaussa i jego zastosowanie

Przedmowa do wydania drugiego Konwencje i ważniejsze oznaczenia... 13

Lekcja 40. Obraz graficzny pola elektrycznego.

PDE. czyli równania różniczkowe cząstkowe [Partial Differential Equation(s)] wstęp do wstępu. Zbigniew Koza. Wydział Fizyki i Astronomii Wrocław, 2016

Potencjalne pole elektrostatyczne. Przypomnienie

ZAGADNIENIA DO EGZAMINU Z FIZYKI W SEMESTRZE ZIMOWYM Elektronika i Telekomunikacja oraz Elektronika 2017/18

Elementy rachunku różniczkowego i całkowego

POLE MAGNETYCZNE ŹRÓDŁA POLA MAGNETYCZNEGO. Wykład 9 lato 2016/17 1

[ A i ' ]=[ D ][ A i ] (2.3)

Elektrodynamika Część 3 Pola elektryczne w materii Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Elektrodynamika Część 5 Pola magnetyczne w materii Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Pole magnetyczne magnesu w kształcie kuli

Rozdział XV CAŁKI KRZYWOLINIOWE. CAŁKA STIELTJESA

WYKŁAD 3 OGÓLNE UJĘCIE ZASAD ZACHOWANIA W MECHANICE PŁYNÓW. ZASADA ZACHOWANIA MASY. 1/15

Całki krzywoliniowe skierowane

WYMAGANIA WSTĘPNE W ZAKRESIE WIEDZY, UMIEJĘTNOŚCI I INNYCH KOMPETENCJI

Badanie rozkładu pola elektrycznego

Prawo Biota-Savarta. Autorzy: Zbigniew Kąkol Piotr Morawski

Wykład 4 i 5 Prawo Gaussa i pole elektryczne w materii. Pojemność.

Ładunek elektryczny. Ładunek elektryczny jedna z własności cząstek elementarnych

Przykładowe zadania/problemy egzaminacyjne. Wszystkie bezwymiarowe wartości liczbowe występujące w treści zadań podane są w jednostkach SI.

Fizyka współczesna. Zmienne pole magnetyczne a prąd. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej Powstawanie prądu w wyniku zmian pola magnetycznego

SYLABUS DOTYCZY CYKLU KSZTAŁCENIA (skrajne daty)

Podstawy fizyki sezon 2 6. Indukcja magnetyczna

Tadeusz Lesiak. Dynamika punktu materialnego: Praca i energia; zasada zachowania energii

WYMAGANIA EDUKACYJNE FIZYKA STOSOWANA II Liceum Ogólnokształcące im. Adama Asnyka w Bielsku-Białej

- prędkość masy wynikająca z innych procesów, np. adwekcji, naprężeń itd.

v p dr dt = v dr= v dt

POLE MAGNETYCZNE ŹRÓDŁA POLA MAGNETYCZNEGO

Indukcja elektromagnetyczna Faradaya

Wykład 17 Izolatory i przewodniki

SIMR 2012/2013, Analiza 2, wykład 14,

Wykład 15: Indukcja. Dr inż. Zbigniew Szklarski. Katedra Elektroniki, paw. C-1, pok

Elektrodynamika #

znak minus wynika z faktu, że wektor F jest zwrócony

Badanie rozkładu pola elektrycznego

Fale elektromagnetyczne

dr inż. Zbigniew Szklarski

Fizyka. dr Bohdan Bieg p. 36A. wykład ćwiczenia laboratoryjne ćwiczenia rachunkowe

Fizyka współczesna Co zazwyczaj obejmuje fizyka współczesna (modern physics)

Elektryczność i Magnetyzm

STAN NAPRĘŻENIA. dr hab. inż. Tadeusz Chyży

Elektrostatyka ŁADUNEK. Ładunek elektryczny. Dr PPotera wyklady fizyka dosw st podypl. n p. Cząstka α

Momentem dipolowym ładunków +q i q oddalonych o 2a (dipola) nazwamy wektor skierowany od q do +q i o wartości:

Fale elektromagnetyczne Katarzyna Weron

Transkrypt:

Różniczkowe prawo Gaussa i co z niego wynika... Niech ładunek będzie rozłożony w objętości V z ciągłą gęstością ρ(x,y,z). Wytworzone przez ten ładunek pole elektryczne będzie również zmieniać się w przestrzeni w sposób ciągły. Obliczmy strumień tego pola przez powierzchnię bardzo małego prostopadłościanu. Strumień przez ścianki prostopadłe do osi x wynosi x = E ' S ' E ' ' S' '= E ' x E ' ' x y z Ponieważ różnica natężeń E' x E'' x jest z założenia bardzo mała, możemy ją zapisać jako E ' x E ' ' x =E x x x, y, z E x x, y, z E ' x E ' ' x E x x, y, z E x x x E x x, y, z = E x x x Wobec tego mamy x = E x x x y z= E x x V

Podobnie liczymy strumień przez ścianki prostopadłe do pozostałych osi y = E y y V ; z = E z z V Całkowity strumień wyniesie = E x x E y y E z z V Wyrażenie w nawiasie jest z definicji dywergencją pola wektorowego E. Zapisując to z użyciem operatora nabla: = E V Możemy to przeczytać: dywergencja pola elektrycznego w danym punkcie jest równa strumieniowi pola elektrycznego na jednostkę objętości. Porównajmy to z prawem Gaussa = Q 0 = V 0 Porównując dwa ostatnie równania otrzymujemy różniczkowe prawo Gaussa E= 0 Otrzymaliśmy lokalny związek między natężeniem pola elektrycznego a gęstością ładunku w danym punkcie.

Widzimy, że gdy w pewnym obszarze nie ma ładunków dywergencja natężenia pola zanika. Takie pola nazywa się często bezźródłowym. W miejsce natężenia pola możemy wstawić gradient potencjału E= = 2 x 2 2 y 2 2 y 2 = 2 Otrzymaliśmy w ten sposób równanie Poissone'a 2 r = r 0 Jest to równanie różniczkowe umożliwiające znalezienie potencjału w przestrzeni, w której znamy rozkład ładunku. Do jego rozwiązania potrzebne są zwykle również warunki brzegowe.

Jeżeli w danym obszarze nie ma ładunków otrzymujemy równanie nazywane równaniem Laplace'a 2 r =0 Do jego rozwiązania potrzebujemy jedynie warunków brzegowych. Obydwa równania należą do najbardziej fundamentalnych w elektrodynamice teoretycznej, występują również w mechanice ośrodków ciągłych, teorii grawitacji, zjawiskach transportu i wielu innych dziedzinach nauki i techniki. Zapisaliśmy prawo Gaussa w postaci różniczkowej. Możemy podobnie zapisać fakt, że praca przesunięcia ładunku wykonana na drodze zamkniętej jest równa zeru: C F dl=q C E dl=0 C E dl=0 Policzmy na przykład wartość całki po zamkniętym konturze skierowanym zgodnie z osią z, leżącym w płaszczyźnie xy: = E dl=e x x E y E y x x y E x E x y y x E y y = E y x E x y y x

Zdefiniujmy teraz składową zetową rotacji: rot E z = lim S 0 S = E y x E x y podobnie definiujemy pozostałe składowe rot E x = E z y E y z rot E y = E x z E z x Zerowanie się wszystkich składowych rotacji możemy zapisać teraz tak: rot E=0 lub z symbolicznie użyciem operatora nabla E=0 Pole, którego rotacja zanika nazywa się bezwirowym. Możemy próbować sobie wyobrazić, że niemożliwe jest wytworzenie pola elektrycznego o zamkniętych liniach sił.

Warto zwrócić uwagę, że wyprowadzając równania różniczkowe pola przeszliśmy do opisu jego własności lokalnych. Do naszych równoważnych stwierdzeń dotyczących zachowawczości pola elektrycznego dodamy jeszcze jedno: Siła kulombowska jest siłą zachowawczą, czyli praca wykonana przy przesunięciu ładunku między dwoma punktami nie zależy od drogi przesunięcia. Praca wykonana w polu sił elektrycznych przy przesunięciu ładunku po drodze zamkniętej jest równa zeru. Pole elektryczne jest polem potencjalnym, to znaczy istnieje taka skalarna funkcja położenia f, zwana potencjałem, że E r = r Pole elektryczne jest bezwirowe, to znaczy jego rotacja zanika w całej przestrzeni E=0

Policzmy Jeżeli z trzech wielkości: potencjału, natężenia pola i gęstości ładunku znamy jedno, to możemy obliczyć pozostałe. Na przykład wychodząc z potencjału: E= = 0 E Potencjał równomiernie naładowanej kuli opisany jest zależnością = 3Q 8 0 R 1 r 2 3 R 2 Obliczyć wartość natężenia pola E na powierzchni kuli.

Do przemyślenia w długie i ciemne wieczory: Cztery z przedstawionych pól mają w przedstawionym obszarze zanikającą dywergencję, a trzy znikającą rotację. Spróbuj się zastanowić, które z nich mogą mieć te cechy. (W.M. Purcell, str. 96)