靜電場2-高斯定理

2021-03-01 電磁場在線

高斯定理是針對靜止點電荷形成的靜電場進行分析,並得到結論,但是對靜電場和時變場都成立(目前為止物理學還沒有發現矛盾)。

麥克斯韋後來總結時變電、磁場的性質時,把高斯定理作為電場的基礎,它的地位很重要。

矢量分析3-通量和散度

研究電場強度E的性質,首先從通量和散度開始。電場是個矢量,所以先不必管它的梯度。在具體進行通量運算之前,先看一個立體角概念。

立體角是指過一點的射線掃出了一個錐面,這個錐面所限定的空間。針對上圖的模型,從O』點出發掃出了錐面,在空間距離R處有個截面,截面的面積是dS,方向是任意的:與距離R有個夾角theta。

面元dS對O』點的立體角是:

上圖中,第一行是面元dS所對應的立體角。對這個面元在整個曲面積分,可以得到完整的立體角,也就是上圖第二個公式。

立體角的計算結果有個性質:封閉曲面對其內部任一點所張的立體角是4pi,而外部的點所張立體角為零。利用這個性質,可以輕鬆推導出電場強度的通量,也就是高斯定理。

上圖第一行公式,是對E在閉合有向曲面計算通量,通過比較發現,積分內容正好是閉合曲面所張立體角。

高斯定理:電場在閉合曲面上的通量,等於該曲面所包圍空間內部的電量總和(代數和)與介電常數的比值。實際中點電荷往往不存在,高斯定理對分布電荷也成立,這需要通過精確的積分計算。

第一個公式,對左側應用散度定理,將閉合曲面上的面積分推廣至三維體積分。然後比較公式二,發現方程的左右兩側都是體積分,而體積是任意的,因而若積分成立,必須被積函數相等。

於是得到了高斯定理的微分形式,很重要。

下邊給一道例題,通過高斯定理計算電場強度。

這道題很簡單,考察內容也十分明確:使用高斯定理列方程時,右側一定是閉合曲面內部所包圍的電荷總量。

這一條守則十分十分重要,應用高斯定理一定需要對稱性存在:若電場強度存在某種對稱性,按照這個對稱性做一個高斯面,在高斯面上的積分可以通過對稱性把矢量乘法轉換為標量乘法。

簡單說,將電場強度提取出積分運算以外。

通過電場求解電荷密度,明顯是高斯定理的微分形式,計算電場強度的散度即可。

稍微注意一下球坐標系中的散度公式,雖然整體形式看起來比較麻煩,但是稍微仔細一些,不難發現電場強度的球坐標系表示式中,第二項和第三項分量都不存在(就是沿著theta和phy這兩個變量的方向,沒有相應的電場分量)。

除了開頭的散度,這裡還需要了解:

坐標系

靜電場1--庫侖定律

有興趣的順便看看旋度:矢量分析4-環量和旋度

相關焦點

  • 靜電場的高斯定理
    在上一段中,我們已經得到了靜電場的高斯定理,這裡再次展示其內容如下【具體可參考上一段:電通量與電場線】:(1)式反映的是靜電場在空間某一區域的特徵
  • 物理學家高斯被數學光芒罩住了
    2 高斯的物理學研究 2.1 單位制中的高斯 研究單位制要先規定一些相互獨立的基本的物理量作為「基本單位」,在基本單位的基礎上衍生推導出新的物理量叫「導出單位」,這兩種單位的結合即是單位制.
  • 靜電場主要知識點
    1、電場強度:1)電場對某點單位正電荷的作用力稱為該點的電場強度E2)電場強度通過任一曲面的通量稱為電通電磁場與電磁波(M+Book)邵小桃 矢量分析 靜電場 恆定電場 恆定磁場書籍QF2.3QZ1.5
  • 5.3 電場線 電通量 5.4-1 高斯定理 5.4-2 高斯定理的應用
    (2)通量為零不等於高斯面內無電荷,也不說明高斯面上場強處處為零。          (3)高斯面上的場強由內、外電荷決定。通量由面內電荷決定。           (4)高斯定理是從庫侖定律推出來的,它們是等價的。           (5)電場是有源場。
  • 靜電場的描繪實驗講義
    靜電場的描繪【實驗目的】1.學習用模擬法測繪靜電場的原理和方法。2.加深對電場強度和電位要領的理解。
  • 電磁學七: 高斯定理的運用——「靜電屏蔽
    高斯定理可以從庫侖定律推導出來的,如果庫侖定律中的平方反比指數不等於2就得不出高斯定理。反之,如果證明了高斯定理,就證明庫侖定律的正確性。 根據高斯定理,絕緣金屬球殼內部的場強應為零,這也是靜電屏蔽的結論。若用儀器對屏蔽殼內帶電與否進行檢測,根據測量結果進行分析就可判定高斯定理的正確性,也就驗證了庫侖定律的正確性。
  • 靜電場中的電介質
    極化強度與靜電場的關係:如果電介質各向同性則可以簡化,三、有電介質存在的靜電場在空間中存在自由電荷以及極化電荷,兩者滿足高斯定律:將之前的高斯定律進行重新改寫:因此,在有電介質存在時,描繪靜電場作為矢量場的性質、可用於計算場強並進而討論電介質靜電平衡性質的完備方程組是
  • 數學教育-高斯絕妙定理
    這個對應稱為高斯映射。曲面在P點鄰近彎曲程度可用Δб*( 其面積仍用Δб*表示)與Δб的面積比刻畫。利用隱函數定理將曲面用二元函數f的圖像來表示,並且假設點p為臨界點,也即f在該點的梯度為0(這總是可以通過適當的剛體運動來實現)。然後p點的高斯曲率就是f在點p的黑塞矩陣(二階導數組成的2x2矩陣)的行列式。這個定義只要用基本的微積分知識就可以理解杯底或者帽頂「對應」鞍點的區別。
  • 晚上,定理們圍坐在篝火旁聽媽媽講高斯的故事
    那一年,高斯只有19歲!這是高斯一生的得意之作,他的墓碑上就刻著正十七邊形。關於高斯的一些事實(個人臆想,如有雷同純屬巧合)空集的定義是高斯無法證明的定理的集合。高斯能完整地背出圓周率——是倒著背。高斯口渴時會用巴拿赫-塔斯基悖論弄出更多橙汁。
  • 數學天才——高斯
    他說:「你們算算,1加2加3,一直加到100,等於多少?誰算不出來,就不準回家吃飯。」說完,他就坐在一邊的椅子上,用目光巡視著趴在桌上演算的學生。不到一分鐘的工夫,小高斯站了起來,手裡舉著小石板,」沒等小高斯說完,老師就不耐說:「老師,我算出來了煩地說:「不對!重新再算!」小高斯很快地把算式檢查了一遍,高聲說:「老師,沒錯!」說著走下座位,把小石板遞到老師面前。
  • 正態分布和高斯分布的作用_高斯分布的定義_誤差服從高斯分布
    C.F.高斯在研究測量誤差時從另一個角度導出了它。P.S.拉普拉斯和高斯研究了它的性質。是一個在數學、物理及工程等領域都非常重要的概率分布,在統計學的許多方面有著重大的影響力。   正態曲線呈鍾型,兩頭低,中間高,左右對稱因其曲線呈鐘形,因此人們又經常稱之為鐘形曲線。   若隨機變量X服從一個數學期望為μ、方差為σ^2的正態分布,記為N(μ,σ^2)。
  • 高斯分布
    MLE參數估計的均值是無偏的,方差有偏2.因此,有必要對高斯分布做深一步的理解。當n=2時,就是二維高斯分布的概率密度,其均值和方差為設A是一個n階實對稱矩陣,那麼存在一個n階正交矩陣U,使得U'AU是實對角形,對角元素為矩陣A的特徵根(U'是U的轉置)設B的特徵根為λ1,λ2,,λn。
  • 數學家的故事:高斯
    約翰·卡爾·弗裡德裡希·高斯(Johann Carl Friedrich Gauss ,1777年4月30日-1855年2月23日,享年77歲),德國著名數學家、物理學家、天文學家、大地測量學家,近代數學奠基者之一。高斯被認為是歷史上最重要的數學家之一,並享有"數學王子"之稱。
  • 磁通定理_磁通密度計算公式_變壓器空載運行的磁通和感應電動勢
    這就是磁通定理,其數學表達式為                                      磁通定理與靜電場的高斯定理在數學表達式上相似,但它們在本質上不同,分別反映磁場和靜電場(從磁感應線和電力線)在本質上的不同。上式可以從畢 - 薩定律出發加以嚴格證明。
  • 透徹理解高斯分布
    概率分布函數與概率密度函數的關係:連續型隨機變量X的概率分布函數F(x),如果存在非負可積函數f(x),使得對任意實數x,有f(x)為X的概率密度高斯分布通過概率密度函數來定義高斯分布:高斯分布的概率密度函數是:均值為μ,標準差為σ 高斯分布的概率分布函數是:高斯分布標準差在概率密度分布的數據意義