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

Podobne dokumenty
Elektrostatyka. Potencjał pola elektrycznego Prawo Gaussa

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

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

Fizyka 2 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

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

Podstawy fizyki sezon 2 2. Elektrostatyka 2

Wyprowadzenie prawa Gaussa z prawa Coulomba

Strumień pola elektrycznego i prawo Gaussa

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

4.1.1 Elektryzowanie ciał. Zasada zachowania ładunku

Wykład 17 Izolatory i przewodniki

Podstawy fizyki wykład 8

ŁADUNEK I MATERIA Ładunki elektryczne są ściśle związane z atomową budową materii. Materia składa się z trzech rodzajów cząstek elementarnych:

Linie sił pola elektrycznego

Elektrostatyka, cz. 1

Podstawy fizyki sezon 2 2. Elektrostatyka 2

Odp.: F e /F g = 1 2,

Wykład 2. POLE ELEKTROMEGNETYCZNE:

PROGRAM INDYWIDUALNEGO TOKU NAUCZANIA DLA UCZNIÓW KLASY II

cz. 2. dr inż. Zbigniew Szklarski

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

Elektrostatyczna energia potencjalna U

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

Linia dwuprzewodowa Obliczanie pojemności linii dwuprzewodowej

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

Wykład 2. POLE ELEKTROMEGNETYCZNE:

Elektrostatyka, cz. 2

dr inż. Zbigniew Szklarski

znak minus wynika z faktu, że wektor F jest zwrócony

Elektrodynamika Część 2 Specjalne metody elektrostatyki Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Pole magnetyczne magnesu w kształcie kuli

Potencjał pola elektrycznego

Pole elektromagnetyczne

Elektryczność i Magnetyzm

ELEKTROSTATYKA. Zakład Elektrotechniki Teoretycznej Politechniki Wrocławskiej, I-7, W-5

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

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

Elektrostatyka. mgr inż. Grzegorz Strzeszewski. 20 kwietnia 2013 r. ZespółSzkółnr2wWyszkowie. mgr inż. Grzegorz Strzeszewski Elektrostatyka

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

Wykład 8 ELEKTROMAGNETYZM

Elektrostatyka. Prawo Coulomba Natężenie pola elektrycznego Energia potencjalna pola elektrycznego

Elektrostatyka. Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Fizyka współczesna Co zazwyczaj obejmuje fizyka współczesna (modern physics)

WŁAŚCIWOŚCI IDEALNEGO PRZEWODNIKA

Podstawowe własności elektrostatyczne przewodników: Pole E na zewnątrz przewodnika jest prostopadłe do jego powierzchni

Wykład 14: Indukcja cz.2.

Elektrodynamika Część 4 Magnetostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

ELEKTROSTATYKA. cos tg60 3

Badanie rozkładu pola elektrycznego

Pojemność elektryczna

Elektrostatyczna energia potencjalna. Potencjał elektryczny

Ładunki elektryczne i siły ich wzajemnego oddziaływania. Pole elektryczne. Copyright by pleciuga@ o2.pl

Pojemność elektryczna. Pojemność elektryczna, Kondensatory Energia elektryczna

1 Elektrostatyka. Odp. 1 x 2 + y 2 + (z h) 2. 1 x 2 + y 2 + (z + h) 2

Pojemność elektryczna, Kondensatory Energia elektryczna

UKŁADY KONDENSATOROWE

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

Badanie rozkładu pola elektrycznego

Przewodniki w polu elektrycznym

Wykład 8: Elektrostatyka Katarzyna Weron

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

POLE ELEKTRYCZNE PRAWO COULOMBA

Potencjalne pole elektrostatyczne. Przypomnienie

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

LXVII OLIMPIADA FIZYCZNA ZAWODY III STOPNIA

cz.3 dr inż. Zbigniew Szklarski

Współczynniki pojemności

LXVIII OLIMPIADA FIZYCZNA ZAWODY II STOPNIA

ĆWICZENIE 86 BADANIE ZMIAN ŁADUNKU ELEKTRYCZNEGO ZGROMADZONEGO NA OKŁADKACH KONDENSATORA PODCZAS ROZŁADOWANIA METODĄ CAŁKOWANIA GRAFICZNEGO.

Wykład 14: Indukcja. Dr inż. Zbigniew Szklarski. Katedra Elektroniki, paw. C-1, pok

Rozdział 1. Pole elektryczne i elektrostatyka

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

Wykład 18 Dielektryk w polu elektrycznym

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 21 ELEKTROSTATYKA CZĘŚĆ 1. POLE CENTRALNE I JEDNORODNE

Elektrodynamika Część 6 Elektrodynamika Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

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

Równania dla potencjałów zależnych od czasu

Lekcja 40. Obraz graficzny pola elektrycznego.

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

Elektryczność i magnetyzm

Zadania do Rozdziału X

Elektrostatyka. A. tyle samo B. będzie 2 razy mniejsza C. będzie 4 razy większa D. nie da się obliczyć bez znajomości odległości miedzy ładunkami

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

Elektrodynamika. Część 6. Elektrodynamika. Ryszard Tanaś. Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Ćwiczenie nr 31: Modelowanie pola elektrycznego

5. (2 pkt) Uczeń miał za zadanie skonstruował zwojnicę do wytwarzania pola magnetycznego o wartości indukcji

Materiały pomocnicze 10 do zajęć wyrównawczych z Fizyki dla Inżynierii i Gospodarki Wodnej

Elektrostatyka. + (proton) - (elektron)

Fizyka 2 Podstawy fizyki

Segment B.X Kondensatory Przygotował: dr Winicjusz Drozdowski

Zwój nad przewodzącą płytą METODA ROZDZIELENIA ZMIENNYCH

5) W czterech rogach kwadratu o boku a umieszczono ładunki o tej samej wartości q jak pokazano na rysunku. k=1/(4πε 0 )

Różniczkowe prawo Gaussa i co z niego wynika...

Mechanika kwantowa. Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki?

Podstawy elektromagnetyzmu. Wykład 2. Równania Maxwella

Plan Zajęć. Ćwiczenia rachunkowe

MAGNETYZM. PRĄD PRZEMIENNY

ELEKTROMAGNETYZM cz.1

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

Transkrypt:

Problemy elektrodynamiki. Prawo Gaussa i jego zastosowanie przy obliczaniu pól ładunku rozłożonego w sposób ciągły. I LO im. Stefana Żeromskiego w Lęborku 19 marca 2012

Nowe spojrzenie na prawo Coulomba Prawo Coulomba jest podstawowym prawem elektrostatyki, ale nie jest wyrażone w postaci, która pozwalalaby w prostszy sposób wykonać obliczenia w przypadku występowania symetrii. Nowe sformułowanie prawa Coulomba zostało wyprowadzone przez niemieckiego matematyka i fizyka Carla Friedricha Gaussa (1777-1885)

Strumień i strumień pola elektrycznego Po lewej stronie - to powierzchnia Gaussa dowolnego kształtu. Dla tej powierzchni określamy przenikający ją strumień pola elektrycznego. Miarą strumienia pola elektrycznego jest liczba linii pola elektrycznego przechodzącego przez powierzchnię:

Strumień i strumień pola elektrycznego Po lewej stronie - to powierzchnia Gaussa dowolnego kształtu. Dla tej powierzchni określamy przenikający ją strumień pola elektrycznego. Miarą strumienia pola elektrycznego jest liczba linii pola elektrycznego przechodzącego przez powierzchnię: φ = E n S [ N m2 C ]

Strumień i strumień pola elektrycznego Po lewej stronie - to powierzchnia Gaussa dowolnego kształtu. Dla tej powierzchni określamy przenikający ją strumień pola elektrycznego. Miarą strumienia pola elektrycznego jest liczba linii pola elektrycznego przechodzącego przez powierzchnię: φ = E n S φ - strumień pola [ N m2 C ]

Strumień i strumień pola elektrycznego Po lewej stronie - to powierzchnia Gaussa dowolnego kształtu. Dla tej powierzchni określamy przenikający ją strumień pola elektrycznego. Miarą strumienia pola elektrycznego jest liczba linii pola elektrycznego przechodzącego przez powierzchnię: φ = E n S [ N m2 C ] φ - strumień pola E n - składowa natężenia pola prostopadła do powierzchni S

Strumień i strumień pola elektrycznego Po lewej stronie - to powierzchnia Gaussa dowolnego kształtu. Dla tej powierzchni określamy przenikający ją strumień pola elektrycznego. Miarą strumienia pola elektrycznego jest liczba linii pola elektrycznego przechodzącego przez powierzchnię: φ = E n S [ N m2 C ] φ - strumień pola E n - składowa natężenia pola prostopadła do powierzchni S S - pole powierzchni

Prawo Gaussa i jego opis Prawo Gaussa Strumień pola elektrycznego obejmowany przez dowolną powierzchnię zamkniętą jest proporcjonalny do sumy ładunków zawartych wewnątrz powierzchni. n φ = 1 ε 0 Prawo Gaussa służy do : i=1 q i i = 1, 2,... n

Prawo Gaussa i jego opis Prawo Gaussa Strumień pola elektrycznego obejmowany przez dowolną powierzchnię zamkniętą jest proporcjonalny do sumy ładunków zawartych wewnątrz powierzchni. n φ = 1 ε 0 Prawo Gaussa służy do : i=1 q i i = 1, 2,... n obliczania natężeń pochodzących od poszczególnych ciał.

Prawo Gaussa i jego opis Prawo Gaussa Strumień pola elektrycznego obejmowany przez dowolną powierzchnię zamkniętą jest proporcjonalny do sumy ładunków zawartych wewnątrz powierzchni. n φ = 1 ε 0 Prawo Gaussa służy do : i=1 q i i = 1, 2,... n obliczania natężeń pochodzących od poszczególnych ciał. Aby posłużyć się prawem Gaussa należy wybrać dowolną powierzchnię zamkniętą wokół źródła (np. sferę).

Prawo Gaussa, a prawo Coulomba Sferyczna powierzchnia Gaussa, w której środku znajduje się ładunek punktowy q. Natężenie pola elektrostatycznego ładunku punktowego q obliczymy korzystając z prawa Gaussa: 1 ε 0 q = E (4πr 2 ) E = 1 4πε 0 q r 2

Prawo Gaussa, a prawo Coulomba Sferyczna powierzchnia Gaussa, w której środku znajduje się ładunek punktowy q. Natężenie pola elektrostatycznego ładunku punktowego q obliczymy korzystając z prawa Gaussa: 1 ε 0 q = E (4πr 2 ) E = 1 4πε 0 q r 2 E = k q r - tak jak w prawie 2 Coulomba

Prawo Gaussa, a prawo Coulomba Sferyczna powierzchnia Gaussa, w której środku znajduje się ładunek punktowy q. Natężenie pola elektrostatycznego ładunku punktowego q obliczymy korzystając z prawa Gaussa: 1 ε 0 q = E (4πr 2 ) E = 1 4πε 0 q r 2 E = k q r - tak jak w prawie 2 Coulomba DOSKONAŁA ZGODNOŚĆ!

Liniowy rozkład ładunku z λ = const Jednorodnie naładowany nieskończenie długi pręt, którego pole elektryczne można opisać korzystając z prawa Gaussa dla dowolnie wybranej powierzchni zamykającej naładowany pręt Zastosowanie prawa Gaussa

Liniowy rozkład ładunku z λ = const Jednorodnie naładowany nieskończenie długi pręt, którego pole elektryczne można opisać korzystając z prawa Gaussa dla dowolnie wybranej powierzchni zamykającej naładowany pręt Zastosowanie prawa Gaussa Prawo Gaussa dla pręta ma postać: E d σ = q ε 0

Liniowy rozkład ładunku z λ = const Jednorodnie naładowany nieskończenie długi pręt, którego pole elektryczne można opisać korzystając z prawa Gaussa dla dowolnie wybranej powierzchni zamykającej naładowany pręt Zastosowanie prawa Gaussa Prawo Gaussa dla pręta ma postać: E d σ = q ε 0 ε 0 E(2πrh) = q q = λh

Liniowy rozkład ładunku z λ = const Jednorodnie naładowany nieskończenie długi pręt, którego pole elektryczne można opisać korzystając z prawa Gaussa dla dowolnie wybranej powierzchni zamykającej naładowany pręt Zastosowanie prawa Gaussa Prawo Gaussa dla pręta ma postać: E d σ = q ε 0 ε 0 E(2πrh) = q q = λh Ostatecznie dostajemy zależność E = λ 2πrε 0

Nieskończona naładowana płaszczyzna Płaszczyzna z gęstością σ = const Przyjmujemy powierzchnię Gaussa w kształcie walca o podstawie S. Strumień całkowity jest sumą strumieni dla powierzchni bocznej walca i powierzchni obu podstaw.

Nieskończona naładowana płaszczyzna Płaszczyzna z gęstością σ = const Przyjmujemy powierzchnię Gaussa w kształcie walca o podstawie S. Strumień całkowity jest sumą strumieni dla powierzchni bocznej walca i powierzchni obu podstaw. Φ c = Φ bocz + 2Φ podst (Φ bocz = 0)

Nieskończona naładowana płaszczyzna Płaszczyzna z gęstością σ = const Przyjmujemy powierzchnię Gaussa w kształcie walca o podstawie S. Strumień całkowity jest sumą strumieni dla powierzchni bocznej walca i powierzchni obu podstaw. Φ c = Φ bocz + 2Φ podst (Φ bocz = 0) Φ c = 2Φ podst

Nieskończona naładowana płaszczyzna Płaszczyzna z gęstością σ = const Przyjmujemy powierzchnię Gaussa w kształcie walca o podstawie S. Strumień całkowity jest sumą strumieni dla powierzchni bocznej walca i powierzchni obu podstaw. Φ c = Φ bocz + 2Φ podst (Φ bocz = 0) Φ c = 2Φ podst Φ c = q ε 0

Nieskończona naładowana płaszczyzna Płaszczyzna z gęstością σ = const Przyjmujemy powierzchnię Gaussa w kształcie walca o podstawie S. Strumień całkowity jest sumą strumieni dla powierzchni bocznej walca i powierzchni obu podstaw. Φ c = Φ bocz + 2Φ podst (Φ bocz = 0) Φ c = 2Φ podst Φ c = q ε 0 2ES = q ε 0

Nieskończona naładowana płaszczyzna Płaszczyzna z gęstością σ = const Przyjmujemy powierzchnię Gaussa w kształcie walca o podstawie S. Strumień całkowity jest sumą strumieni dla powierzchni bocznej walca i powierzchni obu podstaw. Φ c = Φ bocz + 2Φ podst (Φ bocz = 0) Φ c = 2Φ podst Φ c = q ε 0 2ES = q ε 0 E = q ε 0S ale σ = q S

Nieskończona naładowana płaszczyzna Płaszczyzna z gęstością σ = const Przyjmujemy powierzchnię Gaussa w kształcie walca o podstawie S. Strumień całkowity jest sumą strumieni dla powierzchni bocznej walca i powierzchni obu podstaw. Φ c = Φ bocz + 2Φ podst (Φ bocz = 0) Φ c = 2Φ podst Φ c = q ε 0 2ES = q ε 0 E = q ε 0S E = σ 2ε 0 ale σ = q S nie zależy od odległości. Rysunek: Pole nieskończenie naładowanej płaszczyzny jest polem jednorodnym, które nie zależy od odległości

Dwie nieskończone naładowane płaszczyzny Płaszczyzny naładowane są jednorodnie z σ 1 = const

Dwie nieskończone naładowane płaszczyzny Płaszczyzny naładowane są jednorodnie z σ 1 = const Pole elektryczne pomiędzy płaszczyznami (wewnątrz płaskiego kondensatora) jest stałe i wynosi:

Dwie nieskończone naładowane płaszczyzny Płaszczyzny naładowane są jednorodnie z σ 1 = const Pole elektryczne pomiędzy płaszczyznami (wewnątrz płaskiego kondensatora) jest stałe i wynosi: E = E + + E

Dwie nieskończone naładowane płaszczyzny Płaszczyzny naładowane są jednorodnie z σ 1 = const Pole elektryczne pomiędzy płaszczyznami (wewnątrz płaskiego kondensatora) jest stałe i wynosi: E = E + + E E = σ+ 2ε 0 + σ 2ε 0 σ + = σ = σ 1

Dwie nieskończone naładowane płaszczyzny Płaszczyzny naładowane są jednorodnie z σ 1 = const Pole elektryczne pomiędzy płaszczyznami (wewnątrz płaskiego kondensatora) jest stałe i wynosi: E = E + + E E = σ+ 2ε 0 E = σ1 ε 0 + σ 2ε 0 σ + = σ = σ 1 - pole pomiędzy

Dwie nieskończone naładowane płaszczyzny Płaszczyzny naładowane są jednorodnie z σ 1 = const Pole elektryczne pomiędzy płaszczyznami (wewnątrz płaskiego kondensatora) jest stałe i wynosi: E = E + + E E = σ+ 2ε 0 E = σ1 ε 0 + σ 2ε 0 σ + = σ = σ 1 - pole pomiędzy E = 0 - pole na zewnątrz Rysunek: Dwie różnoimiennie naładowane nieskończone płaszczyzny

Prawo Gaussa i jego zastosowanie Zadanie 1 Walec z dielektryka (ϕ r ), o promieniu R, został naładowany z gęstością objętościową ρ. Znaleźć zależność natężenia, indukcji i potencjału pola elektrycznego od odległości r, od osi walca w następujących przypadkach: a. ρ = const. b. gęstość ładunku zależy od odległości r, od osi walca ρ = ρ 0 (r/r) W przypadku potencjału rozważyć następujące przypadki: i) potencjał jest równy zeru w nieskończoności, ii) potencjał na powierzchni walca jest równy ϕ 0. Zadanie 2 Punktowy ładunek q umieszczono w odległości d od środka przewodzącej kuli o promieniu R, naładowanej ładunkiem -Q. Obliczyć potencjał na powierzchni kuli oraz siłę działającą na ładunek q.

Zadania do rozwiązania Zadanie 3 Nieprzewodzącą kulę o promieniu R naładowano jednorodnie ładunkiem o gęstości objętościowej ρ r. Oblicz zależność potencjału i natężenia pola elektrycznego w funkcji odległości od środka kuli. Przedstaw graficznie otrzymane zależności. Zadanie 4 Metalową kulę o promieniu R naładowano ładunkiem q. (a) Oblicz i wykreśl zależność potencjału i natężenia pola elektrycznego w funkcji odległości od środka kuli. (b) Jak zmieni się rozkład pola elektrycznego, gdy zamiast metalowej, użyjemy kuli z dielektryka naładowanej powierzchniowo ładunkiem q.

Zadania do rozwiązania Zadanie 5 Pętla z drutu w kształcie okręgu o promieniu r jest naładowana jednorodnie ładunkiem o gęstości liniowej opisanej zależnością λ = λ 0 cos 2 θ (patrz rysunek). Wykazać, że całkowity ładunek zgromadzony na tej pętli z drutu wynosi πλ 0 r Wskazówka = Skorzystać z własności gęstości liniowej

Zadania do rozwiązania Zadanie 6 Pręt o długości 25cm jest jednorodnie naładowany z gęstością liniową λ = 200 µc m. Wyznaczyć natężenie pola elektrycznego w punkcie P (patrz rysunek) w odległości 10cm od pręta

Rozwiązanie zadania 6 Koncepcja rozwiązania Rozważmy element długości pręta dx w odległości x od punktu P. Na tej elementarnej długości zawarty jest ładunek dq = λdx. Ten element długości pręta dx daje przyczynek do pola w punkcie P. Wystarczy zatem posumować wszystkie przyczynki do pola pochodzące od pręta z całej jego długości. Najlepiej to zrobić wykorzystując całkowanie.

Zadania do rozwiązania Zadanie 7 * Dwie kwadratowe metalowe płytki o boku a użyto do utworzenia kondensatora płaskiego. Następnie płytki odchylono o niewielki kąt θ. Przyjmując, że odległość między płytkami jest mała i wynosi D wykaż, że pojemność tego kondensatora C wyraża się wzorem: C = ε 0a 2 D ( 1 aθ 2D )

Rozwiązanie zadania 7 Uwaga! Infinitezymalna pojemność kondensatora wyraża się wzorem

Zadania do rozwiązania Zadanie 8 Dwie przewodzące sfery metaliczne o promieniu a i b (b > a) utworzyły kondensator (patrz rysunek). Okładka b kondensatora została połączona z ziemią. Korzystając z prawa Gaussa udowodnić, że pojemność tak skonstruowanego kondensatora wyraża się wzorem: C = 4πε 0ab b a

Rozwiązanie zadania 8 Pomysł rozwiązania Aby wyznaczyć pojemność naszego kondensatora nie wykorzystując prawa Gaussa można wyznaczyć potencjał(różnicę potencjałów) pomiędzy sferami a i b. Rozwiązanie jest dosyć proste - zajmuje 4 linijki. V = a b Edr = Q a 4πε 0 b E = dv dr dr Q(b a) = r 2 4πε 0 ab C = Q V C = 4πε 0ab (b a) (1) (2) (3) (4)