高斯定理公式物理电场强度 (高斯定理公式数学)

电场强度高斯定理公式?

高斯定理求场强公式:E=U/d。电场强度是用来表示电场的强弱和方向的物理量。实验表明,在电场中某一点,试探点电荷(正电荷)在该点所受电场力与其所带电荷的比值是一个与试探点电荷无关的量。
高斯定理(Gauss’law)也称为高斯通量理论(Gauss’fluxtheorem),或称作散度定理、高斯散度定理、高斯-奥斯特罗格拉德斯基公式、奥氏定理或高-奥公式(通常情况的高斯定理都是指该定理,也有其它同名定理)。

通过一个任意的闭合曲面的电通量,只与闭合曲面所包围的总电量有关。在讨论通过一个闭合曲面的电通量时,我们解决了如何沿闭合曲面积分的问题。大家发现,我们并没有真正实施数学上的积分运算,而是通过物理上的讨论,利用电场线的性质得出了:当闭合曲面不包含任何带电体时,通过该闭合曲面的电通量等于零。接下来我们考虑一个相当重要的例子,在由一个点电荷激发的电场中,以点电荷为中心作一个半径为

的球面,我们想要知道通过这个球面的电通量。根据闭合曲面电通量的计算原则,写下计算电通量的积分表达式:

为了求出这个积分,我们注意到积分是沿着半径为

的球面实施的。在这个球面上,电场强度的数值是一个常数:

在球面上的每一点处,电场强度的方向均沿着该点的径向

。另一方面,在一个球面上,每一点处的外法向矢量也沿着这个方向:

。把这些结果代入上述计算表达式中,将所有与积分无关的常数提到积分号外,就得到如下积分表达式:我们看到,积分号内只剩下对球面的表面积做积分。不需要做更细致的推导了,这个积分正是半径为

的球面的总面积

。于是,通过球面的电通量为:

结果发现,通过一个以点电荷为中心的球面的电通量与球面的半径无关。回顾用喷水器做比拟引入电通量概念那一节,我们看到了熟悉的东西:单位时间内流出任意一个球面的水量

与球面的半径无关。对一个球心偏离点电荷的球面

,只要点电荷还处于球面内,就可以以点电荷为中心,作一个更大的球面

,把偏心球面包围起来。根据电场线的性质,通过偏心球面的电通量等于通过正心球面的电通量。这个方法不仅对偏心球面有效,对包围点电荷的任意一个闭合曲面

也有效:

把一个点电荷的结论进一步推广,当一个闭合曲面内包含有多个点电荷时,利用场强叠加原理得到:

其中

是单个点电荷激发的电场,最后一个等号利用了单个点电荷对电通量的贡献。结合闭合曲面内不含带电体的情况,结果发现,通过一个任意的闭合曲面的电通量,只与闭合曲面所包围的总电量有关:

这个结论被称为高斯定律。

关于高斯定律这个名称,有必要做一些特别的说明。在一般的教科书中,这条自然规律被称为“高斯定理”。在物理学中,自然规律可以分为不同层次的规律。凡是通过实验确定下来、属于那种不可能通过数学方法从理论上加以证明的规律,我们称之为物理定律,比如说牛顿运动定律和库仑定律就属于这个层次的自然规律;以物理定律为基础,在一定的假设条件下,可以通过数学推导加以论证得出的规律被称为定理。显然,由定理和定律之间的关系可以得知,定理的适用范围要比定律狭窄。在电磁理论发展的初期,人们正是如上所述,在库仑定律的基础上,通过数学推理论证的方法得到高斯定理的,因此,高斯定理是静电力的平方反比律和叠加原理的直接推论,把它称为“定理”就再贴切不过了。

不过,后来的发展显示,这条所谓的“高斯定理”是比库仑定律更加普遍、更加深刻的自然规律,是一条反映电场性质的普遍规律。对于运动电荷,库仑定律不再成立,高斯定理仍然有效;库仑定律只描写了静电场的基本性质,而高斯定理甚至能够描写随时间发生改变的电场。这样一条适用范围如此之广的自然规律,再把它叫做“定理”,已经不合适了。因此,让我们今后就把它叫做高斯定律吧,同时还要记住,在一般的教科书中,这条自然规律仍然一直被称为“高斯定理”。

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