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