7 Gaussova věta 7 GAUSSOVA VĚTA. Použitím Gaussovy věty odvod te velikost vektorů elektrické indukce a elektrické intenzity pro

Podobné dokumenty
GAUSSŮV ZÁKON ELEKTROSTATIKY

a) [0,4 b] r < R, b) [0,4 b] r R c) [0,2 b] Zakreslete obě závislosti do jednoho grafu a vyznačte na osách důležité hodnoty.

Elektrické pole vybuzené nábojem Q2 působí na náboj Q1 silou, která je stejně veliká a opačná: F 12 F 21

ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS Řešené úlohy a postupy: Gaussův zákon

Skalární a vektorový popis silového pole

1. a) Určete parciální derivace prvního řádu funkce z = z(x, y) dané rovnicí z 3 3xy 8 = 0 v

Téma 1: Elektrostatika I - Elektrický náboj Kapitola 22, str

Příklad 22 : Kapacita a rozložení intenzity elektrického pole v deskovém kondenzátoru s jednoduchým dielektrikem

ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS Řešené úlohy a postupy: Posuvný proud a Poyntingův vektor

Elektrostatické pole Coulombův zákon - síla působící mezi dvěma elektrickými bodovými náboji Definice intenzity elektrického pole Siločáry

ČÁST V F Y Z I K Á L N Í P O L E. 18. Gravitační pole 19. Elektrostatické pole 20. Elektrický proud 21. Magnetické pole 22. Elektromagnetické pole

Obecný Hookeův zákon a rovinná napjatost

Elektrostatické pole. Vznik a zobrazení elektrostatického pole

13. cvičení z Matematické analýzy 2

9 Kolmost vektorových podprostorů

ŠROUBOVICE. 1) Šroubový pohyb. 2) Základní pojmy a konstrukce

Kapacita. Gaussův zákon elektrostatiky

Matematika pro chemické inženýry

MAGNETICKÉ POLE V REÁLNÉM PROSTŘEDÍ ( MAGNETIKA)

Dynamika tekutin popisuje kinematiku (pohyb částice v času a prostoru) a silové působení v tekutině.

Extrémy funkce dvou proměnných

1. Náhodný vektor (X, Y ) má diskrétní rozdělení s pravděpodobnostní funkcí p, kde. p(x, y) = a(x + y + 1), x, y {0, 1, 2}.

Mgr. Tomáš Kotler. I. Cvičný test 2 II. Autorské řešení 6 III. Klíč 15 IV. Záznamový list 17

y = 2x2 + 10xy + 5. (a) = 7. y Úloha 2.: Určete rovnici tečné roviny a normály ke grafu funkce f = f(x, y) v bodě (a, f(a)). f(x, y) = x, a = (1, 1).

b) Po etní ešení Všechny síly soustavy tedy p eložíme do po átku a p ipojíme p íslušné dvojice sil Všechny síly soustavy nahradíme složkami ve sm

ELEKTROSTATIKA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Elektřina a magnetismus - 2. ročník

10. cvičení z Matematické analýzy 2

y ds, z T = 1 z ds, kde S = S

F n = F 1 n 1 + F 2 n 2 + F 3 n 3.

14. cvičení z Matematické analýzy 2

Okruhy, pojmy a průvodce přípravou na semestrální zkoušku v otázkách. Mechanika

Řešíme tedy soustavu dvou rovnic o dvou neznámých. 2a + b = 3, 6a + b = 27,

MATEMATIKA III. π π π. Program - Dvojný integrál. 1. Vypočtěte dvojrozměrné integrály v obdélníku D: ( ), (, ): 0,1, 0,3, (2 4 ), (, ) : 1,3, 1,1,

Různé: Discriminant: 2

ELT1 - Přednáška č. 6

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium 2015

Dvojné a trojné integrály příklad 3. x 2 y dx dy,

14. přednáška. Přímka

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2018) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

Cvičení F2070 Elektřina a magnetismus

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2017) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

Seriál II.II Vektory. Výfučtení: Vektory

VZOROVÝ TEST PRO 3. ROČNÍK (3. A, 5. C)

Odvození středové rovnice kružnice se středem S [m; n] a o poloměru r. Bod X ležící na kružnici má souřadnice [x; y].

4. Statika základní pojmy a základy rovnováhy sil

ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS Řešené úlohy a postupy: Ampérův zákon

CVIČNÝ TEST 13. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Zdeňka Strnadová. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 15 IV. Záznamový list 17

Základní zákony a terminologie v elektrotechnice

Elektromagnetické pole je generováno elektrickými náboji a jejich pohybem. Je-li zdroj charakterizován nábojovou hustotou ( r r

Kapitola 2. o a paprsek sil lze ztotožnit s osou x (obr.2.1). sil a velikost rovnou algebraickému součtu sil podle vztahu R = F i, (2.

6. a 7. března Úloha 1.1. Vypočtěte obsah obrazce ohraničeného parabolou y = 1 x 2 a osou x.

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2016) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

Kapitola 4. Tato kapitole se zabývá analýzou vnitřních sil na rovinných nosnících. Nejprve je provedena. Každý prut v rovině má 3 volnosti (kap.1).

CVIČENÍ č. 10 VĚTA O ZMĚNĚ TOKU HYBNOSTI

Cvičné texty ke státní maturitě z matematiky

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek v letech

ANALYTICKÁ GEOMETRIE V ROVINĚ

Momenty setrvačnosti a deviační momenty

4. Napjatost v bodě tělesa

Úvodní informace. 17. února 2018

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek ( 2015)

ELEKTROSTATICKÉ POLE V LÁTKÁCH

Analýza napjatosti PLASTICITA

U V W xy 2 x 2 +2z 3yz

Vlastnosti a zkoušení materiálů. Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

19 Eukleidovský bodový prostor

GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/

3.4.2 Rovnováha Rovnováha u centrální rovinné silové soustavy nastává v případě, že výsledná síla nahrazující soustavu je rovna nule. Tedy. Obr.17.

CVIČNÝ TEST 27. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Tomáš Kotler. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 13 IV. Záznamový list 15

CVIČNÝ TEST 15. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Tomáš Kotler. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 15 IV. Záznamový list 17

CVIČNÝ TEST 5. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Václav Zemek. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 17 IV. Záznamový list 19

Řešení: Nejdříve musíme určit sílu, kterou působí kladka proti směru pohybu padajícího vědra a napíná tak lano. Moment síly otáčení kladky je:

Obr. 11.1: Rozdělení dipólu na dva náboje. Obr. 11.2: Rozdělení magnetu na dva magnety

Povrchy, objemy. Krychle = = = + =2 = 2 = 2 = 2 = 2 =( 2) + = ( 2) + = 2+ =3 = 3 = 3 = 3 = 3

ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS

ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS Řešené úlohy a postupy: Kapacita a uložená energie

Elektrické a magnetické pole zdroje polí

18. Stacionární magnetické pole

PŘEDNÁŠKA 9 KŘIVKOVÝ A PLOŠNÝ INTEGRÁL 1. DRUHU

Řešení úloh 1. kola 58. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie C Autoři úloh: J. Thomas (1, 2, 5, 6, 7), J. Jírů (3), L.

Kružnice, úhly příslušné k oblouku kružnice

CVIČNÝ TEST 24. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Kateřina Nováková. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 13 IV. Záznamový list 15

3 Z volného prostoru na vedení

Řešení. Označme po řadě F (z) Odtud plyne, že

1 Extrémy funkcí - slovní úlohy

1 Analytická geometrie

ELEKTRICKÝ NÁBOJ A ELEKTRICKÉ POLE

Mgr. Tomáš Kotler. I. Cvičný test 2 II. Autorské řešení 6 III. Klíč 15 IV. Záznamový list 17

6. ANALYTICKÁ GEOMETRIE

3 Lineární kombinace vektorů. Lineární závislost a nezávislost

OHYB (Napjatost) M A M + qc a + b + c ) M A = 2M qc a + b + c )

16. Matematický popis napjatosti

1. Dva dlouhé přímé rovnoběžné vodiče vzdálené od sebe 0,75 cm leží kolmo k rovine obrázku 1. Vodičem 1 protéká proud o velikosti 6,5A směrem od nás.

LINEÁRNÍ ROVNICE S ABSOLUTNÍ HODNOTOU

Matematika I, část I. Rovnici (1) nazýváme vektorovou rovnicí roviny ABC. Rovina ABC prochází bodem A a říkáme, že má zaměření u, v. X=A+r.u+s.

K OZA SE PASE NA POLOVINĚ ZAHRADY Zadání úlohy

FYZIKA II. Petr Praus 7. Přednáška stacionární magnetické pole náboj v magnetickém poli

CVIČNÝ TEST 35. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Tomáš Kotler. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 15 IV. Záznamový list 17

4.1.7 Rozložení náboje na vodiči

Plošný integrál Studijní text, 16. května Plošný integrál

Transkript:

7 Gaussova věta Zadání Použitím Gaussovy věty odvod te velikost vektorů elektrické indukce a elektrické intenzity pro následující nabitá tělesa:. rovnoměrně nabitou kouli s objemovou hustotou nábojeρ, 2. nekonečně dlouhé rovnoměrně nabité vlákno s lineární hustotou nábojeτ, 3. nekonečně velkou rovnoměrně nabitou desku s plošnou hustotou nábojeσ, 4. soustavu dvou rovnoběžných nekonečně velkých rovin rovnoměrně nabitých opačnými náboji s velikostí plošné hustoty nábojeσ. (Případy 3 až 4 lze uložit za Cv) Řešení. Nabitá koule K řešení využijeme Gaussovu větu (I. Maxwellova rovnice), kterou zapíšeme ve tvaru ds= ρd, (7.) kdes je uzavřená plocha, která obklopuje objem. Slovy: Elektrický indukční tok uzavřenou plochou je roven celkovému elektrickému náboji rozloženému v objemu touto plochou ohraničeném. Úlohu budeme řešit tak, že do středu nabité koule, jejíž poloměr jer, položíme střed myšlené sférické plochy o poloměru r. zhledem k sférické symetrii rozložení elektrického náboje v kouli bude vektor elektrické indukce vždy kolmý k této ploše a v každém bodě jejího povrchu bude mít i stejnou velikost. Úlohu musíme rozdělit na dva případy. Případ r r Tato situace je graficky znázorněna na obr. 7., tedy ted určujeme elektrickou indukci uvnitř nabité koule. Rozdělme řešení rovnice (7.) na levou a pravou stranu. Pro levou stranu bude platit ds= n ds= ds= S= 4πr 2, 9

kde jsme využili faktu, že má směr jednotkového normálového vektorun k plošes (tj. n ), přičemž velikost je na ploše všude stejná, a žeds= n ds, a tím pádemn ds=ds. Integrál ds pak udává velikost plochys (vlastně sčítáme velikosti jednotlivých diferenciálů plochy, které tvoří dělení této celé plochy), tj.4πr 2 v tomto případě. Pro pravou stranu rovnice ñ > r r X sférická plocha n S Obr. 7.: Ilustrační nákres k řešení elektrického pole vytvářeného rovnoměrně nabitou koulí o objemové hustotě elektrického náboje ρ. (7.) bude platit ρd= ρ d= ρ= ρ 4 3 πr3, jelikožρje v celém objemu konstantní a integrál d znamená velikost objemu (sčítáme diferenciální objemy tvořící dělení celého objemu), zde(4/3)πr 3. Spojením obou výsledků získáme rovnost 4πr 2 = ρ 4 3 πr3, z níž můžeme po jednoduché úpravě obdržet pro elektrickou indukci vztah = ρr, (7.2) 3 tj. velikost elektrické indukce v objemu koule je přímo úměrná poloměru. Případ r > r tomto případě určujeme elektrickou indukci vně koule. Pro levou stranu rovnice (7.) bude platit předchozí závěr. Změní se pouze vyjádření pravé strany. Především je nutné si uvědomit, že v okamžiku, kdy integrace přestoupí poloměr koule, budeρ=. Tudíž ρd= ρd+ d= ρ 4 3 πr3, (r r ) (r>r ) 2

jelikož integrace mimo kouli dává nulový náboj. áme-li opět do rovnosti levou a pravou stranu, dostaneme po malé úpravě = 3 ρ r3 r2, (7.3) tj. velikost elektrické indukce vně objemu koule klesá s kvadrátem poloměru. Navíc celkový náboj, který koule nese, jeq = ρ, kde=(4/3)πr 3 je objem nabité koule. Pak je též možné psát, že 4πr 2 = Q, a odsud získat identitu = Q 4π r. (7.4) 2 Slovy: Elektrická indukce se vně rovnoměrně nabité koule chová stejně jako u bodového náboje. Pozn.: Tento závěr platí i pro kouli nesoucí rovnoměrně rozložený náboj na svém povrchu. ýsledky lze zapsat do jediného vztahu = 3 ρr; r r 3 ρ r3 r 2; r > r. (7.5) Bude-li permitivita prostředíǫstejná v celém prostoru (tzn. uvnitř i vně koule), lze podle vztahu = εe (I. Maxwellova rovnice) pro velikost intenzity elektrického pole napsat E= 3ǫ ρr; r r 3ǫ ρ r3 r 2; r > r. (7.6) Na obr. 7.2 je znázorněn průběh velikosti elektrické indukce v závislosti na vzdálenosti od středu koule. 2. Nekonečně dlouhé vlákno Z důvodu nekonečnosti vlákna bude vektor elektrické indukce vždy kolmý k vláknu, jelikož ve zvoleném bodě bude jeho tečná složka tvořená nábojem z levé části vlákna kompenzována stejně velkou složkou z pravé části vlákna. Tedy = (rovnoběžná složka je nulová). Okolo vybrané části vlákna vytvoříme uzavřenou souosou válcovou plochu (viz obr. 7.3), přičemž plochy podstav označíme S, S 2 (S = S 2 = S ) a plochu pláště S. ýšku válcové plochy označímelapoloměr podstavr. 2

~r 2 ~/r r r Obr. 7.2: Průběh velikosti elektrické indukce v závislosti na vzdálenosti r od středu rovnoměrně nabité koule. n S S S válcová plocha ô > Obr. 7.3: Ilustrační nákres k řešení elektrického pole vytvářeného nekonečným vláknem rovnoměrně nabitým elektrickým nábojem o lineární hustotě τ. K řešení opět využijeme Gaussovu větu. Levou stranou můžeme rozepsat do rovnosti ds= ds + ds + ds 2, S S S 2 tzn. integraci přes celou uzavřenou plochu válce rozdělíme na integraci přes jeho plášt a přes jeho podstavy. Nyní si stačí uvědomit, že rovnoběžná složka je nulová, tudíž integrály přes podstavy budou nulové. To lze rozebrat podrobněji. Pro orientovaný element plochy podstavy platíds = n ds, kde n je jednotkový normálový vektor plochy podstavy (pro levou podstavu směřuje vlevo ve směru vlákna, pro pravou podstavu směřuje vpravo ve směru vlákna). U podstav však platí, že ds =, jelikož je kolmé kds. Tím je nulový i integrál přes celou plochu podstavy. Rovnice se tak redukuje na tvar ds= ds = n ds = ds = S = 2πrl. S S S Při úpravě bylo využito faktů, že elektrická indukce v každém bodě plochys má stejný směr jako jednotkový normálový vektor plochy n, a tím i element plochyds, a že integrace přes jednotlivé diferenciály plochy dává celkovou plochu, zde plochu válce 2πrl. elikost vektoru lze navíc vytknout před integrál, jelikož díky rovnoměrné lineární hustotě náboje na vlákně má v celé plošes stejnou velikost. Pro pravou stranu obdržíme identitu ρd= τdl=τl, l 22

poněvadž v prostoru mimo vlákno je hustota náboje nulová, a tak celkový elektrický náboj uzavřený zvolenou plochou je náboj, který nese část vlákna délky l vytknutá touto plochou, tj. τl. Spojením výsledků obdržíme2πrl=τl, což po úpravě dává pro velikost elektrické indukce = τ 2π r. (7.7) Bude-li permitivita okolního prostředí všude stejná a rovnaε, bude velikost elektrické intenzity E= τ 2πε r. (7.8) 3. Nekonečně velká deska Při řešení budeme postupovat obdobně jako v předchozím případě. Část desky uzavřeme válcovou plochou, jejíž podstavy jsou rovnoběžné s rovinou desky (viz obr. 7.4). Pak integrál přes uzavřenou válcovou plochu můžeme rozepsat do rovnosti ds= ds + ds 2 + ds. S S 2 S Jelikož deska je nekonečně velká, bude opět tečná složka vektoru elektrické indukce nulová S ó > S 2 n n 2 válcová plocha deska S S 2 Obr. 7.4: Ilustrační nákres k řešení elektrického pole vytvářeného nekonečně velkou rovnoměrně nabitou deskou s plošnou hustotou elektrického náboje σ. ( =) a z tohoto důvodu bude nulový i plošný integrál přes plochu S, poněvadž vektor je kolmý ke všem elementům této plochy, tj. ds =. Uvědomíme-li si navíc, že vektor má na opačných polorovinách desky opačný směr a že velikosti podstav jsou stejné (tj. S = S 2 = S ), můžeme plošný integrál zredukovat na tvar ds=2 ds. S 23

Též velikost vektoru elektrické indukce na ploše S bude všude stejná, protože deska je nabita rovnoměrně. Pak ds = n ds = ds = S, S S S tedy Pro pravou stranu Gaussovy rovnice lze psát ρd= ds= 2S. S σds = σs, přičemž jsme opět využili nulovosti hustoty elektrického náboje mimo desku, rovnoměrnosti rozložení náboje na desce (σ=konst.) a faktu, že válcová plocha vytkne na desce kruh o ploše stejné, jako je plocha podstavy válce. Spojením výrazů obdržíme rovnost 2S = σs, což po úpravě dá pro velikost elektrické indukce výraz = σ. (7.9) 2 Bude-li opět permitivita prostředíε,bude pro velikost elektrické intenzity platit E= σ. (7.) 2ε 3. vě rovnoběžné roviny Obě desky jsou nabity elektrickými náboji o stejné velikosti plošné hustoty σ= σ = σ 2, přičemž jedna nese náboj kladný (σ >) a druhá záporný (σ 2 <). Podle předchozího případu vytvářejí tyto desky kolem sebe elektrické pole o velikostech indukcí = 2 = 2 σ. le principu superpozice pak bude výsledná indukce dána vektorovým součtem indukcí od jednotlivých desek. ektor indukce záporně nabité desky je ale opačně orientovaný oproti vektoru indukce kladné desky (viz obr. 7.5), což znamená, že v oblasti mezi deskami dojde k navýšení velikosti indukce na dvojnásobek její hodnoty od jedné samostatné desky, kdežto mimo oblast mezi deskami se 24

ó < 2 2 ó > Obr. 7.5: Ilustrační nákres k řešení elektrického pole vytvářeného dvěma rovnoběžnými deskami s opačnými plošnými hustotami elektrického náboje o velikosti σ= σ = σ 2. ektor elektrické indukce (plná šipka) je vytvářen deskou kladně nabitou (σ > ), vektor 2 (čárkovaná šipka) je tvořen deskou nabitou záporně (σ 2 <). indukce desek odečtou, tudíž její hodnota zde bude nulová (= i E=). Odsud pak snadno dostaneme pro elektrickou indukci tedy po dosazení z (7.9) =2 =2 2, Bude-li permitivita prostředíε, bude pro elektrickou intenzitu platit =σ. (7.) E= σ. (7.2) ε 25