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1、大学物理学电子教案大学物理学电子教案静电场的性质与计算静电场的性质与计算6-3 6-3 电场线电场线 高斯定理高斯定理 电场线上任一点的切线方向给出了该点电场电场线上任一点的切线方向给出了该点电场强度的方向；强度的方向； 某点处某点处电场线密度电场线密度与该点电场强度的大小与该点电场强度的大小相等。相等。 1、定义定义 在电场中画一组带箭头的曲线在电场中画一组带箭头的曲线,这些曲线与电场强度这些曲线与电场强度 之间具有之间具有以下关系以下关系: EE 6-3 电场线电场线 高斯定理高斯定理一、电场线一、电场线电场线密度电场线密度:经过电场中任一点，作一面积元经过电场中任一点，作一面积元dS，并
2、，并使它与该点的场强垂直，若通过使它与该点的场强垂直，若通过dS面的电场线条数面的电场线条数为为dN，则电场线密度，则电场线密度SNEdd可见可见,电场线密集处电场强度大电场线密集处电场强度大,电场线稀疏处电电场线稀疏处电场强度小场强度小 2、几种典型的电场线分布、几种典型的电场线分布+正点电荷正点电荷负点电荷负点电荷+等量异号点电荷等量异号点电荷带电平行板电容器的电场带电平行板电容器的电场+不等量异号点电荷的电场线不等量异号点电荷的电场线 2q+q3、电场线的性质、电场线的性质电场线总是起始于正电荷（或来自于无穷远），电场线总是起始于正电荷（或来自于无穷远），终止于负电荷（或终止于无穷远）；
3、终止于负电荷（或终止于无穷远）；任何两条电场线都不能相交；任何两条电场线都不能相交；非闭合曲线。非闭合曲线。4、关于电场线的几点说明、关于电场线的几点说明电场线是人为画出的，在实际电场中并不存在；电场线是人为画出的，在实际电场中并不存在；电场线可以形象地、直观地表现电场的总体情况电场线可以形象地、直观地表现电场的总体情况; ;电场线图形可以用实验演示出来。电场线图形可以用实验演示出来。1、定义、定义 在电场中穿过任意曲面的电场线的总条数称为穿过在电场中穿过任意曲面的电场线的总条数称为穿过该面的电通量，用该面的电通量，用 表示。表示。 (1)匀强电场中的电通量匀强电场中的电通量E与平面与平面S垂
4、直时垂直时ESe E与平面与平面S 有夹角有夹角时时 cosESe 引入引入面积矢量面积矢量SSneE SeSSn E二、电场强度通量二、电场强度通量(2)非均匀电场的电通量非均匀电场的电通量SdEde 将曲面分割为无限多个面元将曲面分割为无限多个面元 , ,由于面元很小，由于面元很小，所以每一个面元上场强可以认为是均匀电场所以每一个面元上场强可以认为是均匀电场 ,d S面元面元dSSndSEeSE dS 2、电通量的正负、电通量的正负闭合曲面闭合曲面: :规定规定取取外法线方向外法线方向( (自内向外自内向外) ) 为正。因此有为正。因此有: :nEnn非闭合曲面非闭合曲面: : 电通量的结
5、果可正可负，完全取决电通量的结果可正可负，完全取决于面元于面元 与与 间的夹角间的夹角 : :dSE,0 ,0 22ee 时时电场线电场线由内向外由内向外穿出穿出: 电场线电场线由外向内由外向内穿入穿入:0,e 为正正 0,e 为负整个闭合曲面的电通量为整个闭合曲面的电通量为 =deS ES1、内容、内容S01eiSE dSq （ 内）2、静电场高斯定理的验证静电场高斯定理的验证 静电场中通过一个任意闭合曲面的电通量值等于该静电场中通过一个任意闭合曲面的电通量值等于该曲面所包围的所有电荷电量的代数和曲面所包围的所有电荷电量的代数和 除以除以 0 ，与闭曲面外的电荷无关与闭曲面外的电荷无关 iq
6、数学表达式数学表达式: : 包围点电荷的同心球面包围点电荷的同心球面S的电通量都等于的电通量都等于 0q 包围点电荷的包围点电荷的任意闭合曲面任意闭合曲面S的电通量都等于的电通量都等于 0q 高斯简介高斯简介三、高斯定理（三、高斯定理（Gauss 定理）定理）对于包围点电荷对于包围点电荷q的任意封闭曲面的任意封闭曲面 qSS 电场线电场线+qrS SS S可在外或内作一以点电荷为中可在外或内作一以点电荷为中心的同心球面心的同心球面 ,使使 内只有点内只有点电荷，如图所示。电荷，如图所示。SS 由电场线的连续性可知，由电场线的连续性可知，穿过穿过 S的电场线都穿过同心球的电场线都穿过同心球面面
7、，故两者的电通量相等，故两者的电通量相等，均为均为 。S0q 结论说明，单个点电荷包围结论说明，单个点电荷包围在任意闭合曲面内时，穿过在任意闭合曲面内时，穿过该闭曲面的电通量与该点电该闭曲面的电通量与该点电荷在闭曲面内的位置无关。荷在闭曲面内的位置无关。 由于由于电场线的连续性电场线的连续性可知，穿可知，穿入与穿出任一闭合曲面的电通入与穿出任一闭合曲面的电通量应该相等。所以当闭合曲面量应该相等。所以当闭合曲面无电荷时，电通量为零。无电荷时，电通量为零。不包围点电荷不包围点电荷q的任意闭合曲面的任意闭合曲面S的电通量恒为零的电通量恒为零 点电荷系的电通量等于在高斯点电荷系的电通量等于在高斯面内的
8、点电荷单独存在时电通量面内的点电荷单独存在时电通量的代数和。的代数和。 利用利用场强叠加原理场强叠加原理S q1kqkq2q1q2kqnq设闭合曲面设闭合曲面S S包围多个电荷包围多个电荷q1-qk，同时面外也有多个电荷同时面外也有多个电荷qk+1-qn1niiE =E通过闭合曲面通过闭合曲面S的电通量为的电通量为 1=ddneiSSiESES根据，不包围在闭合曲面内的点电荷对闭合曲根据，不包围在闭合曲面内的点电荷对闭合曲面的电通量恒为面的电通量恒为0，所以，所以011dieiSkkiiqES0edqE dS 当把上述点电荷换成连续带电体时当把上述点电荷换成连续带电体时 3、关于、关于Gaus
9、s定理的说明定理的说明高斯定理是反映静电场性质（高斯定理是反映静电场性质（有源性有源性）的一条基本定理；）的一条基本定理；高斯定理是在高斯定理是在库仑定律库仑定律的基础上得出的，但它的应用范围比的基础上得出的，但它的应用范围比库仑定律更为广泛；库仑定律更为广泛；通过任意闭合曲面的总通量只取决于面内电荷的代数和，而通过任意闭合曲面的总通量只取决于面内电荷的代数和，而与面外电荷无关，也与电荷如何分布无关与面外电荷无关，也与电荷如何分布无关. .但电荷的空间分布但电荷的空间分布会影响闭合面上各点处的场强大小和方向；会影响闭合面上各点处的场强大小和方向；高斯定理中的高斯定理中的电场强度是封闭曲面内和曲
10、面外的电荷共同产电场强度是封闭曲面内和曲面外的电荷共同产生生的，并非只有曲面内的电荷确定；的，并非只有曲面内的电荷确定；当闭合曲面上各点当闭合曲面上各点 时，通过闭合曲面的电通量时，通过闭合曲面的电通量 反之反之, ,不一定成立不一定成立. . 高斯定理中所说的闭合曲面，通常称为高斯面高斯定理中所说的闭合曲面，通常称为高斯面。0E =0e 当场强分布具有某种特殊的对称性时，应用高斯定当场强分布具有某种特殊的对称性时，应用高斯定理能比较方便求出场强。理能比较方便求出场强。求解的关键是选取适当的求解的关键是选取适当的高斯面。高斯面。常见的具有对称性分布的源电荷有：常见的具有对称性分布的源电荷有：球
11、对称分布：球对称分布：包括包括均匀带电的球面，均匀带电的球面，球体和多层同心球球体和多层同心球壳等壳等无限大平面电荷：无限大平面电荷：包括无限大的均包括无限大的均匀带电平面，平匀带电平面，平板等。板等。轴对称分布：轴对称分布：包包括无限长均匀带括无限长均匀带电的直线，圆柱电的直线，圆柱面，圆柱壳等；面，圆柱壳等；四、四、Gauss定律应用举例定律应用举例步骤：步骤：1.1.进行对称性分析进行对称性分析，即由电荷分布的对称性，分，即由电荷分布的对称性，分析场强分布的对称性，判断能否用高斯定理来求析场强分布的对称性，判断能否用高斯定理来求电场强度的分布（常见的对称性有球对称性、轴电场强度的分布（常
12、见的对称性有球对称性、轴对称性、面对称性等）；对称性、面对称性等）；2.2.根据场强分布的特点，作根据场强分布的特点，作适当的高斯面适当的高斯面，要求：，要求：待求场强的场点应在此高斯面上，待求场强的场点应在此高斯面上，穿过该高斯面的电通量容易计算。穿过该高斯面的电通量容易计算。一般地，高斯面各面元的法线矢量一般地，高斯面各面元的法线矢量n与与E平行或垂直，平行或垂直，n与与E平行时，平行时，E的大小要求处处相等，使得的大小要求处处相等，使得E能提能提到积分号外面；到积分号外面；3.3.计算电通量和高斯面内所包围的电荷的代数和计算电通量和高斯面内所包围的电荷的代数和，最后由高斯定理求出场强。最
13、后由高斯定理求出场强。 1. 均匀带电球面的电场均匀带电球面的电场2. 均匀带电球体的电场均匀带电球体的电场 3. 均匀带电无限大平面的电场均匀带电无限大平面的电场 5. 均匀带电均匀带电无限长无限长圆柱面的电场圆柱面的电场条件：条件： 电荷分布具有较高的空间对称性电荷分布具有较高的空间对称性 6. 均匀带电球体空腔部分的电场均匀带电球体空腔部分的电场 高斯定理的应用高斯定理的应用4. 均匀带电无限长直线的电场均匀带电无限长直线的电场rR+q例例1. 求球面半径为求球面半径为R,带电为带电为q的均匀带电球面的电场的的均匀带电球面的电场的空间分布空间分布。电场分布也应有球对称性，方向沿径向。电场
14、分布也应有球对称性，方向沿径向。作同心且半径为作同心且半径为r的高斯面的高斯面. r R时，高斯面无电荷，时，高斯面无电荷，20d4SqESEr解：解：204rqE 高斯定理的应用高斯定理的应用0Er0ER+R+rqr R时，高斯面包围电荷时，高斯面包围电荷q，Er 关系曲线关系曲线204Rq2 r 高斯定理的应用高斯定理的应用204qErr结果表明：结果表明：均匀带电均匀带电球面外的电场分布象球面外的电场分布象球面上的电荷都集中球面上的电荷都集中在球心时所形成的点在球心时所形成的点电荷在该区的电场分电荷在该区的电场分布一样。布一样。Rr电场分布也应有球对称性，方向沿径向。电场分布也应有球对称
15、性，方向沿径向。作同心且半径为作同心且半径为r r的高斯面的高斯面2d4SESEr0qa.r R时，时，b.r R时，时，解：解：204rqE 高斯定理的应用高斯定理的应用例例2、求、求球面半径为球面半径为R,带电为带电为q均匀带电球体的场均匀带电球体的场强分布。强分布。电荷体密度为电荷体密度为334qR304qrER33343qrqrRqq0204qErrEOrRR30rR4qrER20rR4qErE均匀带电球体的电场分布均匀带电球体的电场分布03REr 关系曲线关系曲线2 r 高斯定理的应用高斯定理的应用EE电场分布也应有面对称性电场分布也应有面对称性, ,方向沿法向。方向沿法向。解：解：
16、 例例3 3 求无限大均匀带电平面的电场分布求无限大均匀带电平面的电场分布, ,已知电荷已知电荷面密度为面密度为 作轴线与平面垂直的圆柱形高斯面，底面积为作轴线与平面垂直的圆柱形高斯面，底面积为S，两底面到带电平面距离相同。，两底面到带电平面距离相同。ESEd2d2SEEE SSS底圆柱形高斯面内电荷圆柱形高斯面内电荷qS 由高斯定理得由高斯定理得02/E SS 高斯定理的应用高斯定理的应用02En电场强度方向离开平面电场强度方向离开平面0 电场强度方向指向平面电场强度方向指向平面0 结果表明结果表明：无限大均匀带：无限大均匀带电平面的电场为均匀电场电平面的电场为均匀电场电场强度的方向垂直于带电场强度的方向垂直于带电平面。电平面。两个带等量异号电荷的无限大平行平面的电场两个带等量异号电荷的无限大平行平面的电场设面电荷密度分别为设面电荷密度分别为1=+ 和和2= - 该系统不再具有简单的对称性，不能直接应用高该系统不再具有简单的对称性，不能直接应用高斯定律。然而每一个带电平面的场强先可用高斯定斯定律。然而每一个带电平面的场强先可用高斯定律求出，律求出，然后再用叠加原理然后再用叠加原理求两
