Chương 3:
MẬT ĐỘ ĐIỆN THÔNG, ĐỊNH LUẬT GAUSS, VÀ ĐỊNH LÝ DIVERGENCE
1
16/01/2013
CHÂU VĂN BẢO-ĐHCN TP.HCM
3.1. MẬT ĐỘ ĐIỆN THÔNG 1. Định nghĩa: D (C/m2) Mật độ điệnthông Ddo điệntích Q t ạora t ạiPlà1vect ơ cóchi ều của điệntr ườngEvàcó độ lớn bằng mật độ điệntích ρs tạiP.
oE (C/m2)
D = e (2)
Q
=
2. Mật độ điệnthông c ủa điệntích tại 1 điểm(FigC3.1) Trong hệ tọa độ cầu
D
a
r
2
rp 4
(1)
Figure C3.1
16/01/2013
CHÂU VĂN BẢO-ĐHCN TP.HCM
2
3.1. MẬT ĐỘ ĐIỆN THÔNG 3. Mật độ điện thông của điện tích phân bố theo đường (Fig C3.2)
=
TRong hệ tọa độ trụ (CCS) dọctheotr ục z ρL :là m ật độ điệntích
D
a
r
r L 2 pr
(C1)
Figure C3.2
4. Mật độ điện thông xuyên qua mặt phẳng S (Fig C3.3)
= Sr
rS :Là mật độ điệntích m ặt
D
(C2)
a N2
Figure C3.3
16/01/2013
CHÂU VĂN BẢO-ĐHCN TP.HCM
3
3.1. MẬT ĐỘ ĐIỆN THÔNG
VD3.1. Điệntíchphân b ốđề u với mật độ ρL =8nC/m d ọctheo trụcz.Tìm E và D tại điểmPcáchtr ụczkho ảng3m. Giải. Điện trường E tại P (r , f
- ·
(V/m)
, z) là 9 =
a rr
12
r
)
- ·
r == L Eaa 2 per o
810143.8 r 2(8.85410 p Tại r =3m, E =47.9 ar(V/m) Thôngqua E,tatìm D
9
2 (C/m )
rr
r
- - · ·
9 8101.27310 a r
r == L Daa 2 prpr
= 2 Tại r =3mthì D =0.424 ar (nC/m2)
16/01/2013
CHÂU VĂN BẢO-ĐHCN TP.HCM
4
q < p /2and
r =26cmand
3.1. Electric Flux Density DRILLPROBLEM3.1. Given a90 m Cpointchargelocatedat theorigin,findthetotalelectricfluxpassingthrough: (a)thatportionofthespherer =26cmboundedby 0 < 0 < f < p /2;(b)theclosedsurfacedefinedby z = – 26cm;(c)theplanez=26cm. ANSWERS. (a)7.5 ( m C);(b)60 ( m C);(c)30 ( m C)
r
SB =20mC/monthe SC =120 m C/m2 ontheplane
r
DRILLPROBLEM3.2. Calculate D inrectangularcoordinates atpointP(2,–3,6)producedby:(a)apointcharge Q A =55mCat PA (–2,3,–6);(b) auniformlinecharge xaxis;(c)auniformsurfacecharge z=–5m. ANSWERS:
16/01/2013
CHÂU VĂN BẢO-ĐHCN TP.HCM
5
(a) 6.38 ax –9.57 ay + 19.14az (m C/m2); (b) –212 ay + 424 az (m C/m2); (c) 60az (m C/m2)
3.2. ĐỊNH LUẬT Gauss 1. Mật độ điện thông Φ a. D đều, S phẳng, D vuông góc với S
Φ = DS (C3)
Figure C3.4a
! Nếu S làvect ơ có hướng aN,thì độ lớn:
16/01/2013
CHÂU VĂN BẢO-ĐHCN TP.HCM
6
Φ = D . S (C4)
3.2. ĐỊNH LUẬT Gauss
b. Nếu D đều, Sph ẳng, D có
(C5)
Φ = DN S Φ = DS cosq Φ = D. S
hướng bất kỳ.
Figure C3.4b
< p /2;
q
;
!Φ > 0 nếu 0 £ !Φ < 0 nếu p /2 < q !Φ = 0 nếu q = p /2
16/01/2013
CHÂU VĂN BẢO-ĐHCN TP.HCM
7
£ p
3.2. Gauss’s Law c. D và S bất kỳ (Fig 3.2)
l Chia Sthànhnhi ềudi ệntích
viphândS
l aN làvect ơ pháptuy ến của S
tạiP.
l dS = dSaN làvect ơ phần tử
mặt tại P củaS.
Figure 3.2
16/01/2013
CHÂU VĂN BẢO-ĐHCN TP.HCM
8
(C6) dΦ = DN dS = DdScosq = D . dSaN = D . dS
3.2. Gauss’s Law 1. Điện thông tổng xuyên qua S theo hướng an:
y
(C7)
D S(cid:215) d
= (cid:242)
S
2. NếuSlà m ặtkín,vect ơ an hướngrangoài:
y y
= = outenc outenc
(5)
S
(cid:242)
(cid:242) D s = = D S(cid:215) Q d Q d . (cid:209) S
16/01/2013
CHÂU VĂN BẢO-ĐHCN TP.HCM
9
3.2. Gauss’s Law Điện tích Q được bỡi những công thức sau: n
(pointcharge)
Q
= (cid:229)
Q k
= 1
k
(C8) •
(linecharge)
L
L
(C9) •
(surfacecharge)
S
S
(C10) •
(volumecharge)
v
= (cid:242) QdL r = (cid:242) QdS r = (cid:242) Qdv r
v
(C11) •
Gausscóth ể viết
(cid:215)
= D S ddv
r
v
S
v
16/01/2013
CHÂU VĂN BẢO-ĐHCN TP.HCM
10
(6) (cid:242) (cid:242)
3.2. Gauss’s Law Địnhlu ậtGauss: Điệnthông t ổngthoátrakh ỏiS b ằng điệntích tổngch ứatrongS. Chứng minh định luật Gauss
Q
= Da
= a S ; ddS
r
r
2
ap 4
Q
Điện thông tổng thoát ra khỏi mặt cầu S
(cid:215)
= D S ddS
2
S
S
ap 4
(cid:242) (cid:242)
Q
2
2
S
(cid:242)
a a == 4 p Q = dSS Q 4 p
(Gauss’s Law) hay Φout = Qc
Figure 3.3
16/01/2013
CHÂU VĂN BẢO-ĐHCN TP.HCM
11
3.2. Gauss’s Law DRILL PROBLEM 3.3. Given the Electric Flux Density
D = 0.3 r2ar (nC/m2) in free space:
(a) Find E at point P (r = 2, q = 25o, f = 90o) (b) Find the total charge within the sphere r = 3 (c) Find the total elctric flux leaving the sphere r = 4 ANSWERS. (a) 135.5 ar (V/m); (b) 305nC; (c) 965nC
DRILL PROBLEM 3.4. Calculate the total electric flux leaving the cubical surface formed by the six planes x, y, z = – 5, if the charge distribution is:
(m C/m) at x = –2, y = 3.
16/01/2013
CHÂU VĂN BẢO-ĐHCN TP.HCM
12
(a) two point charges: 0.1 m C at (1, –2, 3) and 1/7m C at ( –1, 2, –2) (b) a uniform line charge of p (c) a uniform surface charge of 0.1 (m C/m2) on the plane y = 3x ANSWERS (a) 0.243 m C; (b) 31.4 m C; (c) 10.54 m C
3.3. Áp dụng định luật Gauss:
ần
Dùng dịnhlu ậtGauss để tìm D, rồisuyra E 1.ChiaSra2ph § S┴ trên đó D vuônggóc v ới S (D // dS), thì D.dS =D.Ds § S// trên đóDsongsong v ới S (D ┴ dS),thì D.dS = 0
2.Trên S ┴ biên độ của Dlà:D = constant Áp dụng định luật Gauss:
D
S Q
SS
^ (cid:242) (cid:242) (cid:242)
(cid:215)=(cid:215)== = S D ddDdSDS S
=
=
^ ^
D
and
Suyra
D
a
N
Q S
Q S
(C12) ^ ^
16/01/2013
CHÂU VĂN BẢO-ĐHCN TP.HCM
13
aN là vectơ pháp đơn vị của S^
3.3. Application of Gauss’s Law
ọa độ cầu(FigC3.3).Dùng ĐL
q VD3.1 . Cho điệntíchQtrong t , f ). Gausstìm D và E tạiP(r,
Q
D
2
QQ = == S
S
GIẢI.
rp 4
=
^
= Da
D
r
r
2
Q a rp 4
Q
=
=
E
a
r
2
D e
r
4 pe
o
o
Figure C3.3
16/01/2013
CHÂU VĂN BẢO-ĐHCN TP.HCM
14
3.3. Application of Gauss’s Law
để tìm điện VD3.3. Dùng ĐLGauss trường đo điệntíchphân b ốđề u với mật độ ρL trên đườngth ẳngvô t ận. GIẢI. Chọn đườngth ẳngmang địệntích là2tr ụcz.Ch ọn mặtGauss đặcbi ệtlà mặttr ụ trònxoay,bánkính ρ vàchi ều caoL. ĐiểmP( r ,z) , f
D = Dr (r )ar
Figure 3.4
16/01/2013
CHÂU VĂN BẢO-ĐHCN TP.HCM
15
3.3. Application of Gauss’s Law: Some SCD
S^
II
= S1US3
L
=
=== D D r
r 2
L r L 2 L prpr
Here = S2, and S Using (C12), we have:
^
= Da
Drr
r
=
= E Er
=
= Ea
Err
r
Q S r = L a 2 pr r L 2 pe r o r L a 2 pe r o
16/01/2013
CHÂU VĂN BẢO-ĐHCN TP.HCM
16