Гауссова поверхность - Gaussian surface

Цилиндрическая гауссова поверхность обычно используется для расчета электрического заряда бесконечно длинного прямого «идеального» провода.

А Гауссова поверхность (иногда сокращенно G.S.) - это закрытая поверхность в трехмерном пространстве, через которое поток из векторное поле рассчитывается; обычно гравитационное поле, то электрический поле или магнитный поле.^[1] Это произвольный закрытая поверхность S = ∂V (в граница трехмерной области V), используемый совместно с законом Гаусса для соответствующего поля (Закон Гаусса, Закон Гаусса для магнетизма, или же Закон Гаусса для гравитации ) путем выполнения поверхностный интеграл, чтобы рассчитать общую сумму вложенного исходного количества; например, количество гравитационная масса как источник гравитационного поля или количества электрический заряд в качестве источника электростатического поля или наоборот: рассчитайте поля для распределения источника.

Для конкретности в данной статье рассматривается электрическое поле, так как это наиболее частый тип поля, для которого используется понятие поверхности.

Гауссовы поверхности обычно тщательно выбираются для использования симметрии ситуации, чтобы упростить расчет поверхностный интеграл. Если гауссова поверхность выбрана так, что для каждой точки на поверхности составляющая электрическое поле вдоль нормальный вектор постоянна, то расчет не потребует сложного интегрирования, так как возникающие константы можно вынести за пределы интеграла. Он определяется как замкнутая поверхность в трехмерном пространстве, по которой рассчитывается поток векторного поля.

Общие гауссовы поверхности

Смотрите также: плотность заряда

Примеры действительных (слева) и недопустимых (справа) гауссовых поверхностей. Осталось: Некоторые допустимые гауссовы поверхности включают поверхность сферы, поверхность тора и поверхность куба. Они есть закрытые поверхности которые полностью охватывают трехмерный объем. Правильно: Некоторые поверхности, которые НЕ МОЖЕШЬ использоваться в качестве гауссовых поверхностей, таких как поверхность диска, квадратная поверхность или поверхность полусферы. Они не полностью охватывают трехмерный объем и имеют границы (красные). Обратите внимание, что бесконечные плоскости могут аппроксимировать гауссовы поверхности.

Большинство вычислений с использованием гауссовых поверхностей начинается с реализации Закон Гаусса (для электричества):^[2]

${\displaystyle \Phi _{E}=\,\!}$ ${\displaystyle \scriptstyle S\!}$ ${\displaystyle \mathbf {E} \;\cdot \mathrm {d} \mathbf {A} ={\frac {Q_{\text{enc}}}{\varepsilon _{0}}}.\,\!}$

Тем самым Q_enc - электрический заряд, заключенный в гауссовой поверхности.

Это закон Гаусса, объединяющий оба теорема расходимости и Закон Кулона.

Сферическая поверхность

А сферический Гауссова поверхность используется при нахождении электрического поля или потока, создаваемого любым из следующего:^[3]

• а точечный заряд
• равномерно распределенный сферическая оболочка заряда
• любое другое распределение заряда с сферическая симметрия

Сферическая гауссова поверхность выбрана так, чтобы она была концентричной с распределением заряда.

В качестве примера рассмотрим заряженную сферическую оболочку S незначительной толщины, с равномерно распределенным зарядом Q и радиус р. Мы можем использовать закон Гаусса, чтобы найти величину результирующего электрического поля E На расстоянии р от центра заряженной оболочки. Сразу видно, что для сферической гауссовой поверхности радиуса р < р заключенный в него заряд равен нулю: следовательно, чистый поток равен нулю, и величина электрического поля на гауссовой поверхности также равна 0 (если позволить Q_А = 0 в законе Гаусса, где Q_А - заряд, заключенный в гауссовой поверхности).

В том же примере с использованием большей гауссовой поверхности вне оболочки, где р > р, Закон Гаусса создаст ненулевое электрическое поле. Это определяется следующим образом.

Поток из сферической поверхности S является:

${\displaystyle \Phi _{E}=\,\!}$ ${\displaystyle \scriptstyle \partial S\,\!}$ ${\displaystyle \mathbf {E} \cdot d\mathbf {A} =\int \!\!\!\!\int _{c}EdA\cos 0^{\circ }=E\int \!\!\!\!\int _{S}dA\,\!}$

В площадь поверхности сферы радиуса р является

${\displaystyle \int \!\!\!\!\int _{S}dA=4\pi r^{2}}$

что подразумевает

${\displaystyle \Phi _{E}=E4\pi r^{2}}$

По закону Гаусса поток также

${\displaystyle \Phi _{E}={\frac {Q_{A}}{\varepsilon _{0}}}}$

окончательно приравняв выражение для Φ_E дает величину E-поле в позиции р:

${\displaystyle E4\pi r^{2}={\frac {Q_{A}}{\varepsilon _{0}}}\quad \Rightarrow \quad E={\frac {Q_{A}}{4\pi \varepsilon _{0}r^{2}}}.}$

Этот нетривиальный результат показывает, что любое сферическое распределение заряда действует как точечный заряд при наблюдении снаружи за распределением заряда; это фактически проверка Закон Кулона. И, как уже упоминалось, никакие внешние сборы не учитываются.

Цилиндрическая поверхность

А цилиндрический Гауссова поверхность используется при нахождении электрического поля или потока, создаваемого любым из следующего:^[3]

• бесконечно длинный линия единого заряда
• бесконечный самолет единого заряда
• бесконечно длинный цилиндр единого заряда

В качестве примера ниже приводится «поле около бесконечного линейного заряда»;

Рассмотрим точку п На расстоянии р от бесконечного линейного заряда, имеющего плотность заряда (заряд на единицу длины) λ. Представьте замкнутую поверхность в виде цилиндра, осью вращения которого является линейный заряд. Если час - длина цилиндра, то заряд, заключенный в цилиндре, равен

${\displaystyle q=\lambda h}$,

куда q - заряд, заключенный в гауссовой поверхности. Есть три поверхности а, б и c как показано на рисунке. В дифференциал векторная площадь это dА, на каждой поверхности а, б и c.

Замкнутая поверхность в виде цилиндра с линейным зарядом в центре и с разностными площадями dАвсех трех поверхностей.

Прохождение потока состоит из трех составляющих:

${\displaystyle \Phi _{E}=\,\!}$ ${\displaystyle \scriptstyle A\,\!}$ ${\displaystyle \mathbf {E} \cdot d\mathbf {A} =\int \!\!\!\!\int _{a}\mathbf {E} \cdot d\mathbf {A} +\int \!\!\!\!\int _{b}\mathbf {E} \cdot d\mathbf {A} +\int \!\!\!\!\int _{c}\mathbf {E} \cdot d\mathbf {A} }$

Для поверхностей a и b E и гА будет перпендикуляр.Для поверхности c E и гА будет параллельно, как показано на рисунке.

${\displaystyle {\begin{aligned}\Phi _{E}&=\int \!\!\!\!\int _{a}EdA\cos 90^{\circ }+\int \!\!\!\!\int _{b}EdA\cos 90^{\circ }+\int \!\!\!\!\int _{c}EdA\cos 0^{\circ }\\&=E\int \!\!\!\!\int _{c}dA\\\end{aligned}}}$

В площадь поверхности цилиндра является

${\displaystyle \int \!\!\!\!\int _{c}dA=2\pi rh}$

что подразумевает

${\displaystyle \Phi _{E}=E2\pi rh}$

По закону Гаусса

${\displaystyle \Phi _{E}={\frac {q}{\varepsilon _{0}}}}$

приравнивая для Φ_E дает

${\displaystyle E2\pi rh={\frac {\lambda h}{\varepsilon _{0}}}\quad \Rightarrow \quad E={\frac {\lambda }{2\pi \varepsilon _{0}r}}}$

Гауссовский дот

Эта поверхность чаще всего используется для определения электрического поля из-за бесконечного слоя заряда с однородной плотностью заряда или слоя заряда с некоторой конечной толщиной. ДОТ имеет цилиндрическую форму и может рассматриваться как состоящий из трех компонентов: диск на одном конце цилиндра с площадью πR², диск на другом конце с равной площадью и сторона цилиндра. Сумма электрический поток через каждый компонент поверхности пропорционально приложенному к нему заряду дота, как диктуется законом Гаусса. Поскольку поле вблизи листа можно приблизительно считать постоянным, дот ориентирован таким образом, чтобы силовые линии проходили через диски на концах поля под перпендикулярным углом, а сторона цилиндра была параллельна силовым линиям. .

Смотрите также

• Площадь
• Площадь поверхности
• Векторное исчисление
• Интеграция
• Теорема расходимости
• Клетка Фарадея
• Теория поля
• Полевая линия

Рекомендации

1. Основные принципы физики, П.М. Уилан, М.Дж. Ходжсон, 2-е издание, 1978, Джон Мюррей, ISBN  0-7195-3382-1
2. Введение в электродинамику (4-е издание), Д. Дж. Гриффитс, 2012 г., ISBN  978-0-321-85656-2
3. Физика для ученых и инженеров - с современной физикой (6-е издание), П. А. Типлер, Г. Моска, Фриман, 2008 г., ISBN  0-7167-8964-7

• Перселл, Эдвард М. (1985). Электричество и магнетизм. Макгроу-Хилл. ISBN  0-07-004908-4.
• Джексон, Джон Д. (1998). Классическая электродинамика (3-е изд.). Вайли. ISBN  0-471-30932-X.

дальнейшее чтение

• Электромагнетизм (2-е издание), ЯВЛЯЕТСЯ. Грант, У. Р. Филлипс, Manchester Physics, John Wiley & Sons, 2008 г., ISBN  978-0-471-92712-9

внешняя ссылка

• Поля - глава из онлайн-учебника