background image

Wykład 16

Różniczkowa postać prawa Gaussa. Dywergencja pola

Związek między natężeniem pola elektrostatycznego i gęstością ładunku w pewnym 

punkcie przestrzeni określa różniczkowa postać prawa Gaussa.

Dla tego, żeby wyprowadzić wzór na różniczkową postać prawa Gaussa rozważmy 

skończony obszar dowolnego kształtu o objętości 

V

. Podzielimy ten obszar na dwie części 

1

 

i  

2

  (

V

V

V

=

+

2

1

).   Oznaczmy   przez  

1

  i  

2

  powierzchnie   ograniczające   odpowiednio 

obszary 

1

 i 

2

. Strumienie pola elektrycznego przez powierzchni 

1

 i 

2

 są równe

=

Φ

i

S

i

i

S

d

E

 ,

gdzie 

2

,

1

=

i

Powierzchnie 

1

 i 

2

 zawierają tą samą powierzchnie przekroju 

D

. A zatem, biorąc 

pod uwagę iż na powierzchni przekroju  

2

1

S

d

S

d

=

  dla strumieni pola elektrycznego przez 

powierzchnie 

D

 otrzymujemy

=

D

D

S

d

E

S

d

E

2

1

 .                                       (16.1)

198

background image

Uwzględniając (16.1), całkowity strumień pola elektrycznego przez powierzchnie 

S

 możemy 

zapisać w postaci

+

2

1

2

1

S

S

S

S

d

E

S

d

E

S

d

E

 .                                    (16.2)

Powtarzając   podział   obszaru  

V

  wielokrotnie   otrzymujemy   dużą   liczbę   małych 

obszarów  

n

V

V

V

,

,

,

2

1

  ograniczonych   powierzchniami  

n

S

S

S

,

,

,

2

1

.   Całkowity   strumień 

przez powierzchnie 

S

 możemy wtedy zapisać jako sumę strumieni pola elektrycznego przez 

poszczególne małe obszary:

∑∫

=

=

=

Φ

S

n

i

S

i

i

S

d

E

S

d

E

1

 .                                     (16.3)

Wprowadźmy teraz wielkość

i

S

i

V

S

d

E

i

 .                                                 (16.4)

W   granicy  

0

i

V

  ze   wzoru   (16.4)   otrzymujemy   skalarną   funkcję,   która   nazywa   się 

dywergencją pola  E

=

i

i

S

i

i

V

S

d

E

V

E

div

1

lim

0

 .                                       (16.5)

We współrzędnych kartezjańskich dywergencja pola  E

 ma postać

E

z

E

y

E

x

E

E

div

z

y

x

+

+

=

 .                            (16.6)

Przez symbol „nabla” - 

 w równaniu (16.6) oznaczyliśmy operator wektorowy

z

y

x

e

z

e

y

e

x

+

+

=

 ,                                      (16.7)

gdzie 

z

y

x

e

e

e

,

,

 są jednostkowymi wektorami wzdłuż osi 

z

y

,

,

.

199

background image

Udowodnimy  wzór   (16.6),   rozważając   strumień   pola   elektrycznego   przez   szczane 

małego   sześcianu  otaczającego   punkt  

P

(

z

y

,

,

).   Załóżmy,  że   pole  elektryczne  w   środku 

sześcianu czyli w punkcie 

P

(

z

y

,

,

) ma składowe 

z

y

x

E

E

E

,

,

. Jeżeli sześcian jest mały, to dla 

składowych  pola  elektrycznego   w  punktach  (

z

y

x

x

,

,

±

)  możemy  w  dobrym  przybliżeniu 

zapisać

z

y

x

x

E

E

x

x

E

E

,

,

±

 .                                       (16.18)

W  podobny  sposób   dla   składowych   pola   elektrycznego   w   punktach  

)

,

,

(

z

y

y

x

±

  oraz   (

z

z

y

x

±

,

,

) możemy zapisać

z

y

y

x

E

y

y

E

E

E

,

,

±

 ,                  

z

z

E

E

E

E

z

z

y

x

±

,

,

 .           (16.19)

Uwzględniając   zwroty   wektorów   S

d

  dla   pola   powierzchni   (na   zewnątrz   !),   dla 

strumienia pola elektrycznego przez szczane prostopadłe do osi 

x

 otrzymujemy

V

x

E

l

x

x

E

l

x

x

E

E

l

x

x

E

E

S

d

E

x

x

x

x

x

x

x

=

=

+

=

=

Φ

2

2

2

)

(

2

)

(

)

(

)

(

)

(

 ,      (16.20)

200

background image

gdzie 

z

y

x

l

=

=

=

2

2

2

 jest strona sześcianu, a  V

 jest objętość sześcianu.

W podobny sposób dla strumienia pola elektrycznego przez szczane prostopadłe do osi 

y

 i do osi 

z

 znajdujemy

V

y

E

l

y

y

E

l

y

y

E

E

l

y

y

E

E

S

d

E

y

y

y

y

y

y

y

=

=

+

=

=

Φ

2

2

2

)

(

2

)

(

)

(

)

(

)

(

 ,      (16.21)

V

z

E

l

z

z

E

l

z

z

E

E

l

z

z

E

E

S

d

E

z

z

z

z

z

z

z

=

=

+

=

=

Φ

2

2

2

)

(

2

)

(

)

(

)

(

)

(

 .      (16.22)

Sumując   wzory   (16.20)   -   (16.22),   dla   całkowitego   strumienia   pola   elektrycznego   przez 

szczane małego sześcianu mamy

V

z

E

y

E

x

E

S

d

E

z

y

x

S

z

y

x

+

+

=

=

Φ

+

Φ

+

Φ

=

Φ

)

(

 .         (16.23)

W granicy 

0

V

 ze wzoru (16.23) otrzymujemy wzór (16.6)

=

=

S

V

S

d

E

V

E

div

1

lim

0

z

E

y

E

x

E

z

y

x

+

+

.

Powróćmy teraz do równania (16.3) i zapiszmy to równanie w postaci

=

=

=

Φ

∑ ∫

=

=

i

i

n

i

i

S

n

i

S

i

V

S

d

E

V

S

d

E

S

d

E

i

1

1

 .                   (16.24)

W granice  

0

i

V

  i  

n

  nieskończenie mała objętość  

i

  przechodzi w  

dV

, wyraz w 

nawiasach staje się dywergencją pola  E

, suma zaś przechodzi a całkę objętościową

201

background image

=

=

Φ

=

V

i

i

n

i

i

V

n

dV

E

div

V

S

d

E

V

i

i

1

0

,

lim

 .                    (16.25)

Otrzymaliśmy więc wzór

=

V

S

dV

E

div

S

d

E

 ,                                    (16.26)

który   nosi   nazwę  twierdzenia   Gaussa-Ostrogradskiego.   To   twierdzenia   jest   słuszne   dla 

dowolnego pola wektorowego, dla którego istnieje dywergencja.

Zgodnie z prawem Gaussa lewa część równania (16.26) jest równa

=

=

V

S

dV

Q

S

d

E

ρ

ε

ε

0

0

1

 ,                             (16.27)

gdzie 

ρ

 jest gęstość objętościowa ładunku.

Po podstawieniu (16.27) do wzoru (16.26) otrzymujemy

0

ε

ρ

=

E

div

 .                                               (16.28)

Równanie (16.28) jest różniczkową postacią prawa Gaussa i wyraża lokalny związek między 

polem elektrycznym i gęstością ładunku w punkcie 

)

,

,

(

z

y

x

. Dla punktów nie zawierających 

ładunków 

0

=

E

div

.

Potencjał pola elektrostatycznego. Krążenie

Udowodnimy, że siła Coulomba jest siłą zachowawczą oraz potencjalną. Praca którą 

wykonuje siła Coulomba przy przemieszczeniu ładunku 

/

 z punktu 

1

 do punktu 

2

 w polu sił 

ładunku 

q

 jest równa

=

=

2

1

3

2

1

/

/

)

(

)

(

r

l

d

r

kqq

l

d

E

q

A

 .                             (16.29)

202

background image

Oznaczając 

/

r

l

d

r

=

+

, otrzymujemy

)

(

2

)

(

)

(

2

)

(

)

(

2

2

2

2

/

/

/

l

d

r

r

dl

l

d

r

r

r

r

r

+

+

+

=

=

 .

Skąd

[

]

dr

r

dr

r

r

r

r

r

r

r

l

d

r

=

+

=

=

2

2

1

)

(

)

(

2

1

)

(

2

1

)

(

/

/

2

2

/

.

Po podstawieniu ostatniego wzoru do wzoru (16.29) znajdujemy





=

=

=

=

2

1

/

2

1

/

2

1

2

/

2

1

3

/

1

1

1

)

(

r

r

kqq

r

d

kqq

r

dr

kqq

r

l

d

r

kqq

A

 ,         (16.30)

gdzie 

1

 i 

2

 - odległości punktów 

1

 i 

2

 od ładunku 

q

.

Ze wzoru (16.30) wynika, że praca wykonana przy przemieszczeniu ładunku  

/

  w 

polu   elektrycznym   ładunku  

q

  nie   zależy   od   kształtu   toru,   wzdłuż   którego   następuje 

przemieszczenie; zależy ona jedynie od początkowego i końcowego położenia ładunku  

/

 

względem ładunku 

q

. Innymi słowy, udowodniliśmy, że siła Coulomba jest siła zachowawczą, 

203

background image

a zatem jeżeli tor wzdłuż którego zachodzi przemieszczenie ładunku jest torem zamkniętym, 

to:

0

=

Γ

L

l

d

E

 .                                            (16.31)

Całka   okrężna   we   wzorze   (16.31)   nazywa   się  krążeniem   lub   cyrkulacją   natężenia   pola 

elektrycznego. A zatem dla pola elektrostatycznego krążenie jest równa zeru. Pole wektorowe 

dla  którego   cyrkulacja  jest   równa  zeru  nazywa  się  polem   potencjalnym.   Dla  takiego  pola 

zawsze  możemy  wprowadzić  funkcję  skalarną,   która  nazywa  się  potencjalną   funkcją  albo 

potencjałem.

Ze wzoru (16.30) widać, że funkcja potencjalna pola elektrostatycznego wytwarzanego 

przez ładunek 

q

 jest równa

r

q

k

z

y

x

=

)

,

,

(

ϕ

 .                                         (16.32)

Należy pamiętać, że podstawowym pojęciem jest różnica potencjałów, a nie sam potencjał. 

Istotnie, łatwo sprawdzić, że funkcja potencjalna

C

r

q

k

z

y

x

+

=

)

,

,

(

/

ϕ

 .                                  (16.33)

gdzie 

C

 jest dowolna stała, również spełnia równanie (16.30)

(

)

=

+

=

=

2

1

/

/

2

1

/

2

1

/

ϕ

ϕ

ϕ

d

q

C

d

q

d

q

A

 .                      (16.34)

A zatem pisząc potencjalną funkcję pola elektrycznego ładunku punktowego w postaci (16.32) 

zakładamy, że  

0

)

(

=

=

C

ϕ

. Oczywiście, że stałą  

C

  w (16.33) możemy wybrać w sposób 

dowolny. W praktyce często za powierzchnie z zerowym potencjałem wybieramy powierzchnie 

Ziemi.

W  układzie  jednostek  SI   za  jednostkę  różnicy  potencjałów  przyjmuje  się  wolt  (V). 

Różnica   potencjałów   między   dwoma   punktami   jest   równa   1   woltowi   ,   jeżeli   do 

przemieszczenia między nimi 1 kulomba elektryczności niezbędne jest wykonanie pracy równej 

1 dżulowi

204

background image

C

J

V

1

1

1

=

 .

Zbiór   punktów,   w   których   potencjał   elektryczny   jest   taki   sam   nazywamy  powierzchnią 

ekwipotencjalną.   Z   równania   (16.32)   wynika,   że   ekwipotencjalne   powierzchnie   ładunku 

elektrycznego są kulami, w środku których znajduje się ładunek.

Potencjalna   funkcja   pola   całkowicie   określa   pole   wektorowe.   Związek   między 

składowymi natężenia pola elektrycznego i potencjałem znajdziemy korzystając ze wzorów 

(16.29) i (16.34)

)

(

)

,

,

(

dz

E

dy

E

dx

E

l

d

E

z

y

x

d

z

y

x

+

+

=

=

ϕ

 .                    (16.35)

Zmiana potencjału 

ϕ

 (różniczka zupełna) przy przejściu z jednego punktu do drugiego jest 

równa

dz

z

dy

y

dx

x

z

y

x

d

+

+

=

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

)

,

,

(

 .                            (16.36)

Z porównania wzorów (16.35) i (16.36) otrzymujemy

x

E

x

=

ϕ

 ,       

y

E

y

=

ϕ

,          

z

E

z

=

ϕ

 .                   (16.37)

Mnożąc  koleinie  równania  (16.37)  przez  wektory  jednostkowe  

z

y

x

e

e

e

,

,

  o   kierunkach  osi 

z

y

,

,

 i dodając następnie je stronami otrzymujemy





+

+

=

+

+

=

z

y

x

z

z

y

y

x

x

e

z

e

y

e

x

e

E

e

E

e

E

E

ϕ

ϕ

ϕ

 .                 (16.38)

Wyrażenie w nawiasie nazywa się gradientem funkcji 

ϕ

 i oznacza się symbolem 

ϕ

grad . Przez 

operator wektorowy nabla (16.7) równanie (16.38) możemy zapisać w postaci

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

grad

e

z

e

y

e

x

E

z

y

x

=

+

+

=

=

)

(

 .                  (16.39)

205

background image

Potencjał dowolnego rozkładu ładunków. Dipol elektryczny

Korzystając   z   zasady   superpozycji   pól   elektrycznych,   potencjał   dowolnego 

punktowego rozkładu ładunków możemy zapisać w postaci

=

=

=

=

n

i

i

i

n

i

i

r

q

k

z

y

x

1

1

)

,

,

(

ϕ

ϕ

 ,                                 (16.40)

gdzie 

i

 jest odległością punktu o współrzędnych (

z

y

,

,

) od ładunku 

i

.

W przypadku ciągłego rozkładu ładunku potencjał pola elektrycznego w dowolnym 

punkcie określonym wektorem wodzącym  R

 liczymy korzystając ze wzoru

=

V

dV

r

R

k

R

ρ

ϕ

)

(

 ,                                  (16.41)

gdzie  

r

  - wektor określający położenie elementu objętości  

dV

  obszaru naładowanego od 

początku układu współrzędnych; 

ρ

 - gęstość objętościowa ładunku elektrycznego.

Jako przykład zastosowania wzoru (16.40) znajdziemy potencjał dipolu elektrycznego. 

Dipol elektryczny składa się z dwóch ładunków o przeciwnych znaków oddalonych od siebie o 

L

. Jeżeli 

L

r

>>

 to punkt P jest odległy od ładunku 

)

q

+

 o:

θ

θ

θ

cos

2

1

/

cos

1

)

2

/

(

cos

2

2

2

L

r

r

L

r

L

L

r

r

e

L

r

x

+

=

.

 

-q 

+q 

θ

 

206

background image

W podobny sposób odległość punktu 

P

 od ładunku 

)

q

 wynosi

θ

θ

θ

cos

2

1

/

cos

1

)

2

/

(

cos

2

2

2

L

r

r

L

r

L

L

r

r

e

L

r

x

+

+

+

+

=

+

 .

Po   podstawieniu   tych   równań   do   wzoru   (16.40)   dla   całkowitego   potencjału 

otrzymujemy

θ

θ

θ

θ

2

2

2

cos

4

cos

cos

2

1

)

(

cos

2

1

L

r

qL

k

L

r

q

k

L

r

q

k

V

=

+

+

=

.

Dla 

L

r

>>

 otrzymujemy ostatecznie

3

3

2

cos

cos

)

(

r

x

kp

r

r

kp

r

qL

k

V

=

θ

=

θ

 .                      (16.42)

Tu przez 

p

 oznaczyliśmy 

qL

p

=

. Wektor 

x

e

qL

p

=

 nazywa się momentem dipolowym.

Korzystając   z   równania   (16.42)   i   wzorów   (16.37)   dla   składowych   natężenia   pola 

elektrycznego otrzymujemy

207

background image

)

1

cos

3

(

2

3

=

=

θ

r

kp

x

V

E

x

 ,

θ

θ

sin

cos

3

3

r

kp

y

V

E

y

=

=

.

Linii pola dipolu elektrycznego są przedstawione na rysunku.

Jako przykład zastosowania równania (16.41) rozważmy potencjał pola elektrycznego 

dowolnego   ciągłego   rozkładu   ładunków   w   punkcie  

P

  położonym  w   odległości  dużej  od 

naładowanego ciała. W celu wyliczenia całki we wzorze (16.41) wprowadźmy oznaczenie

( )

R

r

R

r

=

=

θ

ξ

cos

 .

Wtedy możemy zapisać

( )

2

2

2

2

1

1

1

r

Rr

R

r

R

r

R

+

=

=

ξ

.

W matematyce udowodniono, że

)

(

1

2

1

0

2

2

ξ

ξ

l

l

l

P

R

r

R

r

Rr

R

+

=

 ,                        (16.43)

gdzie 

)

(

ξ

l

P

 są wielomianami zwanymi w matematyce wielomianami Legendre'a

208

background image

1

)

(

0

=

ξ

P

 ,       

ξ

ξ =

)

(

1

P

,          

=

1

2

3

)

(

2

2

ξ

ξ

P

     itd                  (16.44)

Po podstawieniu (16.44) do wzoru (16.41) znajdujemy

=

=

0

)

(

l

l

l

R

Q

R

k

R

ϕ

 ,                                          (16.45)

gdzie

=

V

l

l

l

dV

P

r

r

Q

)

(

)

(

ξ

ρ

 .                                 (16.46)

Korzystając ze wzorów (16.44) otrzymujemy, że

Q

dV

r

Q

V

=

=

)

(

0

ρ

                                   (16.47)

jest całkowitym ładunkiem obszaru naładowanego,

p

n

dq

r

n

dV

r

r

Q

R

V

R

V

=

=

θ

ρ

=

cos

)

(

1

                       (16.48)

jest rzutem momentu dipolowego 

ρ

=

V

V

dq

r

dV

r

r

p

)

(

 układu na kierunek wektora  R

 (

R

R

n

R

/

=

) .

Wielkość

=

V

dV

r

r

Q

1

cos

2

3

)

(

2

2

2

θ

ρ

                               (16.49)

nazywa się momentem kwadrupolowym układu.

Z   równania   (16.45)   wynika,   że   potencjał   pola   elektrycznego   ciała   naładowanego 

możemy rozważać jako sumę potencjału 

0

ϕ

 wypadkowego ładunku układu, umieszczonego w 

początku układu; potencjału  

1

ϕ

  wypadkowego dipola elektrycznego, umieszczonego też w 

początku współrzędnych; potencjału 

2

ϕ

 kwadrupola itd.:

+

+

+

=

2

1

0

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

 ,                                     (16.50)

gdzie

209

background image

R

Q

k

=

0

ϕ

 ,     

3

2

1

1

R

R

p

k

R

Q

k

=

=

ϕ

 ,        

3

2

2

R

Q

k

=

ϕ

      itd.

Równanie Poissona

Wyżej udowodniliśmy, że pole elektrostatyczne jest polem potencjalnym. Korzystając 

ze wzorów (16.37) oraz różniczkowej postaci prawa Gaussa

0

ε

ρ

=

+

+

=

z

E

y

E

x

E

E

div

z

y

x

 ,                               (16.51)

łatwo otrzymać równanie wyrażające lokalny związek między potencjałem pola i gęstością 

ładunku

0

2

2

2

2

2

2

ε

ρ

ϕ

ϕ

=





+

+

=

+

+

z

y

x

z

E

y

E

x

E

z

y

x

 .                  (16.52)

Wprowadzając różniczkowy operator Laplace'a delta 

2

2

2

2

2

2

z

y

x

+

+

=

 ,                                     (16.53)

otrzymujemy tak zwane równanie Poissona

0

ε

ρ

ϕ −

=

 .                                             (16.54)

Dla punktów gdy 

0

=

ρ

 czyli dla obszarów gdy nie występują ładunki elektryczne ze wzoru 

(16.54) wynika równanie

0

=

ϕ

 ,                                           (16.55)

które nazywa się równaniem Laplace'a.

210