Lesson 02

Gauss's Law

电通量与高斯定律

逐个电荷积分可以求场,但对称性有时能让我们直接求出整体。先定义穿过一个面的电通量,再把闭合面的总通量与内部电荷联系起来。

1. Electric flux

Electric flux 电通量是电场穿过有方向的面的量。均匀场与平面有 \(\Phi_E=EA\cos\theta\),\(\theta\) 从法线量起;非均匀场则把小面元贡献积累:

\[\Phi_E=\int_S\vec E\cdot d\vec A.\]

单位 \(\mathrm{N\,m^2/C}\)。面矢量垂直面,开面可选择法线,闭合面统一取向外法线。场向外穿出贡献正,向内穿入贡献负,平行面贡献零。通量是带符号的标量,不是电场强度,也不是“电荷正在穿过”。接下来围住一个点电荷。

2. Calculations of electric flux created by point charges

把点电荷 \(q\) 放在半径 \(r\) 的球面中心,场处处沿法线,大小 \(k|q|/r^2\)。用带符号的径向分量,闭合通量为

\[\Phi_E=\frac{kq}{r^2}(4\pi r^2)=\frac q{\epsilon_0}.\]

球面增大时场减弱、面积增大,两者正好抵消。把电荷移到闭合面内部其他位置,场分布改变,但总通量仍相同;形状也不必是球。

外部电荷的场线穿入又穿出,闭合面的净贡献为零;这不表示面上电场为零。对开面不能套“只看包围电荷”的结论。叠加所有点电荷贡献,就得到一般定律。

同心球形高斯面:径向场与向外面法线一致

3. Gauss's law

Gauss's law 高斯定律在真空中为

\[\oint_S\vec E\cdot d\vec A=\frac{Q_{\mathrm{enc}}}{\epsilon_0}.\]

\(Q_{\mathrm{enc}}\) 是闭合面内部的净电荷,只计内部,却不意味着面上的场只由内部电荷产生。\(Q_{\mathrm{enc}}=0\) 保证净通量为零,不保证每一点 \(\vec E=0\)。

定律对任何闭合面成立;只有适当对称性使场方向与大小足够明确时,它才方便直接求 \(E\)。把 \(E\) 从积分号中提出,需要证明积分面上相应场分量恒定。下一部分分别选择球、柱与薄盒。

4. Applications of Gauss's law

球对称分布选同心球面,\(E_r4\pi r^2=Q_{\mathrm{enc}}/\epsilon_0\)。均匀实心球内部包围电荷随 \(r^3\) 增加,因此场随 \(r\) 增加;空球壳内包围电荷为零,结合球对称性才得到场为零。

无限长均匀线电荷选同轴圆柱,端面无通量、侧面场大小恒定,于是

\[E=\frac{|\lambda|}{2\pi\epsilon_0r}.\]

无限均匀平面选跨面的薄盒,两端共同贡献,得到每侧 \(E=|\sigma|/(2\epsilon_0)\)。导体表面的一侧在材料内,内部场为零,外部法向场为 \(E_{\perp}=\sigma/\epsilon_0\)。

若电荷密度不均匀,先积分求 \(Q_{\mathrm{enc}}\);若对称性被外部物体破坏,定律仍有效,但未必能直接算场。Gauss 定律把源和场连起来;下一课把场的做功积累成电势差。

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