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?均勻帶電球殼

 cosmos2062 2023-05-19 發(fā)布于廣東
均勻帶電球殼是一個比均勻帶電球面更接近實際情況的理想分布模型,它激發(fā)電場的對稱性分析、所得到的對稱性結(jié)論以及求解電場分布的高斯面的取法與均勻帶電球面和均勻帶電球體的情況一樣。

對宏觀上的帶電表面,有一種更接近實際情況的理想分布模型:電荷連續(xù)分布在一個厚度不等于零的球殼中,這是一個在三維空間中連續(xù)分布的帶電體。從微觀上看,宏觀上的帶電面實際上可能是由許多層微觀帶電體堆疊而成,其厚度并不等于零。

假定有這樣一個三維帶電體,電荷 均勻地分布在一個厚度不等于零的球殼中,球殼的內(nèi)半徑和外半徑分別為 。由上述數(shù)據(jù)可以求出,帶電球殼的體積
而電荷密度
對于這種電荷系統(tǒng),只要電荷分布是均勻的,就具有球?qū)ΨQ性,可以像對均勻帶電球面均勻帶電球體那樣,對它激發(fā)的電場進(jìn)行對稱性分析,所得到的結(jié)論也是一樣的:在與帶電球殼同心的任意一個球面上,電場強(qiáng)度的數(shù)值相等,方向沿著球面上每一點的法向矢量 的方向,或者說,沿著以球心為參考點的徑向 。

由于電場的分布具有上述球?qū)ΨQ性,如果我們想要知道空間中任意點 點的電場強(qiáng)度,則選取通過 點并與帶電球殼同心的球面 ,作為求解電場強(qiáng)度的高斯面,它的半徑就是 點離開球心的距離 。根據(jù)高斯定律,通過高斯面的電通量
如果所要求的場點在均勻帶電球殼的外面,則高斯面內(nèi)的總電量 ,電場的空間分布與均勻帶電球面、均勻帶電球體或者點電荷激發(fā)的電場的空間分布一樣;如果所要求的場點在均勻帶電球殼的空腔處,則高斯面內(nèi)的總電量為零,電場也等于零;如果所要求的場點在均勻帶電球殼內(nèi),則高斯面內(nèi)有電荷的區(qū)域的體積
而高斯面內(nèi)的總電量
由此得到在均勻帶電球殼內(nèi)的電場強(qiáng)度的數(shù)值。結(jié)合電場的方向和電場強(qiáng)度的數(shù)值,一個均勻帶電球殼激發(fā)的電場在空間中的分布為:
我們看到,在均勻帶電球殼的空腔中和外部空間中,電場的分布與均勻帶電球面激發(fā)的電場的空間分布方式一模一樣。讓這個帶電球殼的厚度趨于零,就能夠得到帶電球面的電場分布。

我們已經(jīng)對幾種有代表性的對稱分布電荷系統(tǒng)激發(fā)電場的問題做了討論,結(jié)果發(fā)現(xiàn),對具有不同對稱性分布的電荷系統(tǒng),解決問題的程序是確定的:先進(jìn)行對稱性分析,根據(jù)電荷系統(tǒng)的對稱性,分析電場的方向的分布特點;根據(jù)對稱性找出電場強(qiáng)度的數(shù)值相等的位置,一般情況下,這些位置都具有與電荷系統(tǒng)一致的對稱性;根據(jù)所得到的對稱性特征,選取適當(dāng)?shù)拈]合曲面,作為求解電場分布的高斯面;寫出通過高斯面的電通量的積分表達(dá)式,利用對稱性把電場強(qiáng)度從積分中分離出來,使其不參與電通量積分;對不同的空間點,求出過該點的高斯面內(nèi)的總電量;根據(jù)高斯定律得到電場強(qiáng)度的數(shù)值。由此得到電荷系統(tǒng)激發(fā)的電場的場強(qiáng)分布。

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