Принцип суперпозиции полей и его применение. Принцип суперпозиции полей. Закон сохранения электрического

04.08.2020 Канализационные трубы

Принцип суперпозиции (наложения) полей формулируется так:

Если в данной точке пространства различные заряженные частицы создают электрические поля , напряженности которых и т. д., то результирующая напряженность поля в этой точке равна: .

Принцип суперпозиции полей справедлив для случая, когда поля, созданные несколькими различными зарядами, не оказывают никакого влияния друг на друга, т. е. ведут себя так, как будто других полей нет. Опыт показывает, что для полей обычных интенсивностей, встречающихся в природе, это имеет место в действительности.

Благодаря принципу суперпозиции для нахождения напряжен-ности поля системы заряженных частиц в любой точке достаточно воспользоваться выражением напряженности поля точечного заряда.

На рисунке ниже показано, как в точке A определяется напряжен-ность поля , созданная двумя точечными зарядами q 1 и q 2 .

Силовые линии электрического поля.

Электрическое поле в пространстве принято представлять силовыми линиями. Понятие о силовых линиях ввел М. Фарадей при исследовании магнетизма. Затем это понятие было развито Дж. Максвеллом в исследованиях по электромагнетизму.

Силовая линия, или линия напряженности электрического поля, — это линия, касательная к которой и каждой ее точке совпадает с направлением силы, действующей на положительный точечный заряд, находящийся в этой точке поля.

На рисунках ниже изображены линии напряженности положительно заряженного шарика (рис. 1); двух разноименно заряженных шариков (рис. 2); двух одноименно заряженных ша-риков (рис. 3) и двух пластин, заряженных разными по знаку, но одинаковыми по абсолютной величине зарядами (рис. 4).

Линии напряженности на последнем рисунке почти параллельны в пространстве между пластинами, и плотность их одинакова. Это говорит о том, что поле в этой области пространства одно-родно. Однородным называется электрическое поле, напряженность которого одинакова во всех точках пространства.

В электростатическом поле силовые линии не замкнуты, они всегда начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных зарядах. Они нигде не пересекаются, пересе-чение силовых линий говорило бы о неопределенности направления напряженности поля в точке пересечения. Плотность силовых линий больше вблизи заряженных тел, где напряженность поля больше.

Поле заряженного шара.

Напряженность поля заряженного про-водящего шара на расстоянии от центра шара , превышающем его радиус r ≥ R . определяется по той же формуле, что и поля точечного заряда . Об этом свидетельствует распределение силовых линий (рис. а ), аналогичное распределению линий напряженности то-чечного заряда (рис. б ).

Заряд шара распределен равномерно по его поверхности. Внутри проводящего шара напряженность поля равна нулю.

Напряженность электрического поля, создаваемого системой зарядов в данной точке пространства, равна векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых в той же точке зарядами в отдельности:

→ n → → →

Е = Σ Еi = Е 1 + Е 2 + …

Потенциал поля системы зарядов равен алгебраической сумме потенциалов в каждой точке по отдельности:

φ = Σ φi = φ 1 + φ 2 + …

Эти свойства электрического поля означает, что поле подчиняется принципу суперпозиции.

Теорема Гаусса и её применение для расчёта напряжённости электрического поля бесконечной равномерно заряженной плоскости, двух и более плоскостей; бесконечной равномерно заряженной нити, цилиндра; равномерно заряженной сферы, объёмно заряженного шара.

Теорема Гаусса : Поток вектора напряженности электростатического поля через произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме зарядов, расположенных внутри этой поверхности, поделенной на электрическую постоянную ε 0 .

Ф = ∫ Еп ds = 1/ ε 0 Σ qi

1.Поле равномерно заряженной бесконечной плоскости . Бесконечная плоскость (рис. 1) заряжена с постоянной поверхностной плотностью +σ (σ = dQ/dS - заряд, который приходится на единицу поверхности). Линии напряженности перпендикулярны данной плоскости и направлены от нее в каждую из сторон. Возьмем в качестве замкнутой поверхности цилиндр, основания которого параллельны заряженной плоскости, а ось перпендикулярна ей. Так как образующие цилиндра параллельны линиям напряженности поля (соsα=0), то поток вектора напряженности сквозь боковую поверхность цилиндра равен нулю, а полный поток сквозь цилиндр равен сумме потоков сквозь его основания (площади оснований равны и для основания Е n совпадает с Е), т. е. равен 2ES. Заряд, который заключен внутри построенной цилиндрической поверхности, равен σ∙S. Согласно теореме Гаусса, 2E∙S= σ ∙S/ε 0 , откуда

2.Поле двух бесконечных параллельных разноименно заряженных плоскостей (рис. 2). Пусть плоскости заряжены равномерно разными по знаку зарядами с поверхностными плотностями +σ и –σ. Поле таких плоскостей будем искать как суперпозицию полей, которые создаются каждой из плоскостей в отдельности. На рисунке верхние стрелки соответствуют полю от положительно заряженной плоскости, нижние - от отрицательно заряженной плоскости. Слева и справа от плоскостей поля вычитаются (поскольку линии напряженности направлены навстречу друг другу), значит здесь напряженность поля E=0. В области между плоскостями E = E+ + E- (E+ и E- находятся по формуле (1)), поэтому результирующая напряженность

3.Поле равномерно заряженного бесконечного цилиндра (нити) . Бесконечный цилиндр радиуса R (рис. 6) равномерно заряжен с линейной плотностью τ (τ = –dQ/dt заряд, который приходится на единицу длины). Из соображений симметрии мы видим, что линии напряженности будут направлены по радиусам круговых сечений цилиндра с одинаковой густотой во все стороны относительно оси цилиндра. Мысленно построим в качестве замкнутой поверхности коаксиальный цилиндр радиуса r и высотой l . Поток вектора Е сквозь торцы коаксиального цилиндра равен нулю (торцы и линии напряженности параллельны), а сквозь боковую поверхность равен 2πrl Е. Используя теорему Гаусса, при r>R 2πrl Е = τl /ε 0 , откуда

Если r

4.Поле равномерно заряженной сферической поверхности . Сферическая поверхность радиуса R с общим зарядом Q заряжена равномерно с поверхностной плотностью +σ. Т.к. заряд распределен равномерно по поверхности то поле, которое создается им, обладает сферической симметрией. Значит линии напряженности направлены радиально (рис. 3). Проведем мысленно сферу радиуса r, которая имеет общий центр с заряженной сферой. Если r>R,ro внутрь поверхности попадает весь заряд Q, который создает рассматриваемое поле, и, по теореме Гаусса, 4πr 2 E = Q/ε 0 , откуда

При r>R поле убывает с расстоянием r по такому же закону, как у точечного заряда. График зависимости Е от r приведен на рис. 4. Если r"

5.Поле объемно заряженного шара . Шар радиуса R с общим зарядом Q заряжен равномерно с объемной плотностью ρ (ρ = dQ/dV – заряд, который приходится на единицу объема). Учитывая соображения симметрии, аналогичные п.3, можно доказать, что для напряженности поля вне шара получится тот же результат, что и в случае (3). Внутри же шара напряженность поля будет иная. Сфера радиуса r"

Значит, напряженность поля вне равномерно заряженного шара описывается формулой (3), а внутри его изменяется линейно с расстоянием r" согласно зависимости (4). График зависимости Е от r для рассмотренного случая показан на рис. 5.

Взаимодействие электрических зарядов осуществляется через особый вид материи, порождаемой заряженными частицами - электрическое поле . Электрические заряды изменяют свойства окружающего их пространства. Проявляется это в том, что на помещенный вблизи заряженного тела другой заряд (назовем его пробным ) действует сила (рис. 2). По величине этой силы можно судить об «интенсивности» поля, созданного зарядом q . Для того, чтобы сила, действующая на пробный заряд, характеризовала электрическое поле именно в данной точке пространства, пробный заряд, очевидно, должен быть точечным .

Рисунок 2

Поместив пробный заряд q пр на некотором расстоянии r от заряда q (рис. 2), мы обнаружим, что на него действует сила, величина которой зависит от величины взятого пробного заряда q пр .

Л
егко, однако, видеть, что для всех пробных зарядов отношениеF / q пр будет одно и тоже и зависит лишь от величин q и r , определяющих поле заряда q в данной точке r . Естественно, поэтому, принять это отношение за величину, характеризующую «интенсивность» или, как говорят, напряженность электрического поля (в данном случае поля точечного заряда ):

Таким образом, напряженность электрического поля является его силовой характеристикой . Численно она равна силе, действующий на пробный заряд q пр = +1, помещенный в данное поле.

Напряженность поля – вектор . Его направление совпадает с направлением вектора силы , действующей на точечный заряд, помещенный в это поле. Следовательно, если в электрическое поле напряженностью поместить точечный зарядq , то на него будет действовать сила:

Размерность напряженности электрического поля в СИ:
.

Электрическое поле удобно изображать с помощью силовых линий . Силовая линия – линия, вектор касательной к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора напряженности электрического поля в этой точке. Принято считать, что силовые линии начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных (или уходят на бесконечность) и нигде не прерываются.

Электрическое поле подчиняется принципу суперпозиции (сложения), который можно сформулировать следующим образом: напряженность электрического поля, созданного в некоторой точке пространства системой зарядов, равна векторной сумме напряженностей электрических полей, созданных в этой же точке пространства каждым из зарядов в отдельности:

Работа сил электростатического поля, потенциал. Консервативность электростатических сил, связь между е и . Потенциал точечного и распределенного заряда.

Как следует из закона Кулона, сила, действующая на точечный заряд q в электрическом поле, созданном другими зарядами, является центральной . Напомним, что центральной называется сила, линия действия которой направлена по радиус-вектору, соединяющему некоторую неподвижную точку О (центр поля) с любой точкой траектории. Из «Механики» известно, что все центральные силы являются потенциальными . Работа этих сил не зависит от формы пути перемещения тела, на которое они действуют, и равна нулю по любому замкнутому контуру (пути перемещения). В применении к электростатическому полю:

То есть, работа сил поля по перемещению заряда q из точки 1 в точку 2 равна по величине и противоположна по знаку работе по перемещению заряда из точки 2 в точку 1, независимо формы пути перемещения. Следовательно, работа сил поля по перемещению заряда может быть представлена разностью потенциальных энергий заряда в начальной и конечной точках пути перемещения:

Введем потенциал электростатического поля φ , задав его как отношение:

, (размерность в СИ:
).

Тогда работа сил поля по перемещению точечного заряда q из точки 1 в точку 2 будет:

Разность потенциалов
называется электрическим напряжением. Размерность напряжения, как и потенциала, [U] = B.

Считается, что на бесконечности электрические поля отсутствуют, и значит
. Это позволяет датьопределение потенциала как работы, которую нужно совершить, чтобы переместить заряд q = +1 из бесконечности в данную точку пространства. Таким образом, потенциал электрического поля является его энергетической характеристикой.

Тела, имеющие определенный объем и линейные размеры, всегда занимают часть пространства, в котором не могут нахо-диться другие тела без изменения тех или иных характеристик. Там, где находится ка-мень, не может находиться ни другой ка-мень, ни металлический шар, ни любой другой вещественный объект.

Характерной особенностью электричес-кого поля является то, что, в отличие от ве-щества, в одной точке пространства могут находиться одновременно поля различных источников и различного происхождения. При этом каждое поле сохраняет свою ин-дивидуальность и ни одна из его характе-ристик не изменяется под влиянием другого поля. Одним из подтверждений этого явля-ется известный всем пример распростране-ния радиоволн, которые являются перемен-ным электромагнитным полем. Радиоволна, распространяющаяся с севера на юг, со-всем не влияет на волну, которая распро-страняется с запада на восток. И слушатель, принимая информацию, которую принесла первая волна, даже не догадывается, что эта волна «встретилась» с другой.

Подобное наблюдается и в том случае, когда есть определенная система заряжен-ных тел и соответствующих им полей.

Пусть в некоторой точке пространства A находится тело, имеющее положительный заряд Q 1 (рис. 4.33). Если в произвольную точку B внесем точечное тело с положи-тельным зарядом q 0 , то на него будет действовать сила F̅ 1 как результат взаимодей-ствия тела B с полем тела A.

В произвольную точку C внесем тело с зарядом Q 2 (рис. 4.34). Его поле будет действовать на тело B с силой F̅ 2 . Никаких изменений в значении силы F̅ 1 не произойдет. Но из механики известно, что, если на тело действует несколько сил, то их можно за-менить равнодействующей (рис. 4.35).

В случае нескольких источников элект-рического поля

F̅ = F̅ 1 + F̅ 2 + … + F̅ n .

Если левую и правую части уравнения разделить на q 0 , то получим

F̅ / q 0 = F̅ 1 / q 0 + F̅ 2 / q 0 + … + F̅ n / q 0 ,

E̅ = E̅ 1 + E̅ 2 + … + E̅ n .

Следовательно, при расчетах взаимодей-ствия заряженного тела с электрическими полями разных источников можно поль-зоваться понятием напряженности «суммар-ного» электрического поля. Этот вывод фор-мулируется как принцип суперпозиции по-лей . Материал с сайта

Принцип суперпозиции по-лей. Напряженность электрического поля си-стемы заряженных тел в любой точке рав-няется векторной сумме напряженностей по-лей отдельных тел в этой точке.

В математической форме этот принцип записывается так:

E̅ = E̅ 1 + E̅ 2 + … + E̅ n ,

где E̅ — напряженность поля системы заряженных тел; E̅ 1 , E̅ 2 … —напряженности по-лей каждого из тел, которые входят в си-стему.

Напряженность электрического поля тела, имеющего одинако-вое количество положительно и отрицательно заряженных ча-стиц, равняется нулю.

Принцип суперпозиции по-лей не огра-ничен количеством тел в системе. Именно поэтому напряженность электрического по-ля незаряженного тела, в состав которого входит огромное количество частиц с по-ложительными и отрицательными заряда-ми, практически равна нулю.

На этой странице материал по темам:

Как формулируется принцип суперпозиции полей
Принцип суперпозиции сил формула
Принцип суперпозиции электрических полей кратко
Принцип суперпозиции формула
Какое выражение является математической записью принципа суперпозиции полей?

Вопросы по этому материалу:

Рассмотрим метод определения значения и направления вектора напряженности Е в каждой точке электростатического поля, создаваемого системой неподвижных зарядов q 1 , q 2 , ..., Q n .

Опыт показывает, что к кулоновским силам применим рассмотренный в механике принцип независимости действия сил (см. §6), т.е. результирующая сила F , действующая со стороны поля на пробный заряд Q 0 , равна векторной сумме сил F i , приложенных к нему со стороны каждого из зарядов Q i:

Согласно (79.1), F =Q 0 E и F i ,=Q 0 E i , где Е -напряженность результирующего поля, а Е i - напряженность поля, создаваемого зарядом Q i . Подставляя последние выражения в (80.1), получим

Формула (80.2) выражает принцип суперпозиции (наложения) электростатических полей, согласно которому напряженность Е результирующего поля, создаваемого системой зарядов, равна геометрической сумме напряженностей полей, создаваемых в данной точке каждым из зарядов в отдельности.

Принцип суперпозиции применим для расчета электростатического поля электрического диполя. Электрический диполь - система двух равных по модулю разноименных точечных зарядов (+ Q, -Q ), расстояние l между которыми значительно меньше расстояния до рассматриваемых точек поля. Вектор, направленный по оси диполя (прямой, проходящей через оба заряда) от отрицательного заряда к положительному и равный расстоянию между ними, называется плечом диполя l . Вектор

совпадающий по направлению с плечом диполя и равный произведению заряда

| Q | на плечо l , называется электрическим моментом диполя р или дипольным моментом (рис. 122).

Согласно принципу суперпозиции (80.2), напряженность Е поля диполя в произвольной точке

Е =Е + + Е - ,

где Е + и Е - - напряженности полей, создаваемых соответственно положительным и отрицательным зарядами. Воспользовавшись этой формулой, рассчитаем напряженность поля на продолжении оси диполя и на перпендикуляре к середине его оси.

1. Напряженность поля на продолжении оси диполя в точке А (рис. 123). Как видно из рисунка, напряженность поля диполя в точке А направлена по оси диполя и по модулю равна

Е A =Е + -Е - .

Обозначив расстояние от точки А до середины оси диполя через л, на основании формулы (79.2) для вакуума можно записать