Файл: Задачи по электродинамике. Часть 1.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 01.04.2021

Просмотров: 903

Скачиваний: 22

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
background image

д)

div[

p

×

[

r

×

q

]] = 2(

p

·

q

);

е)

rot[

p

×

[

r

×

q

]] =

[

p

×

q

];

Решение.

а)

grad(

p

·

r

) =

i

∂p

x

x

∂x

+

j

∂p

y

y

∂y

+

k

∂p

z

z

∂z

=

i

p

x

+

j

p

y

+

k

p

z

=

p

;

в)

div[

p

×

r

] =

[

p

×

r

] =

p

[

∇ ×

r

] = (

p

·

rot

r

) = 0;

г)

rot[

p

×

r

] =

p

(

r

)

(

p

· ∇

)

r

= 3

p

µ

p

x

∂x

+

p

y

∂y

+

p

z

∂z

×

×

(

x

i

+

y

j

+

z

k

) = 3

p

(

p

x

i

+

p

y

j

+

p

z

k

) = 2

p

;

е)

rot[

p

×

[

r

×

q

]] = [

∇ ×

[

p

×

[

r

×

q

]]] =

p

(

∇ ·

[

r

×

q

])

(

p

· ∇

)[

r

×

q

] =

=

p

(

q

·

[

∇ ×

r

])

[(

p

· ∇

)

r

×

q

] = 0

[

p

×

q

] =

[

p

×

q

];

Задача 1.6.

С помощью теоремы Гаусса – Остроградского доказать со-

отношения (

p

– постоянный вектор,

V

– объем пространства, ограничен-

ный замкнутой поверхностью

S

):

а)

H

S

(

r

·

d

S

) = 3

V

;

б)

H

S

r

(

p

·

d

S

) =

p

V

;

в)

H

S

(

p

·

r

)

d

S

=

p

V

;

г)

H

S

f

(

r

)

d

S

=

R

V

grad

f

(

r

)

dV.

Решение.

б) При решении этой и других подобных задач удобно рассмотреть

скалярное произведение интеграла с произвольным постоянным век-
тором

c

:

c

·

I

S

r

(

p

·

d

S

) =

I

S

(

c

·

r

)(

p

·

d

S

) =

I

S

((

c

·

r

)

p

·

d

S

) =

=

Z

V

div ((

c

·

r

)

p

)

dV

= (

c

·

p

)

Z

V

dV

= (

c

·

p

)

·

V.

Поскольку

c

– произвольный вектор, то отсюда следует, что

I

S

r

(

p

·

d

S

) =

p

V.

Задача 1.7.

Применяя теорему Гаусса – Остроградского, вычислите по-

ток векторного поля:

11


background image

а)

a

= (

x

y

)

i

+ (

z

y

)

j

+ (

z

x

)

k

;

б)

a

= (

z

+ 1)

k

;

через сферу

x

2

+

y

2

+

z

2

= 1

в сторону внешней нормали.

Ответы:

а

) 4

π/

3;

б

) 4

π/

3

.

2.

Электростатика

Основной задачей электростатики является нахождение напряженности
электрического поля по заданному закону распределения зарядов в про-
странстве. Заряды могут рассматриваться как точечные, линейные, по-
верхностные или объемные, в зависимости от соотношения между линей-
ными размерами пространства, в котором создается электрическое поле,
и той области, где заряды сосредоточены.

Поле, создаваемое зарядом любого типа, удовлетворяет электроста-

тической теореме Гаусса

I

S

(

E

·

d

S

) = 4

π

X

i

q

i

,

(13)

где суммирование в правой части распространяется на все заряды

q

i

,

находящиеся внутри области пространства, ограниченной замкнутой по-
верхностью

S

, через которую вычисляется поток вектора напряженности

электрического поля

E

в левой части равенства. Предполагая, что заряд

распределен по пространству с объемной плотностью

ρ

(

r

)

, и используя

теорему Остроградского-Гаусса (11) для интеграла в левой части, по-
лучим дифференциальное уравнение электростатики (теорему Гаусса в
дифференциальной форме), определяющее плотность источников элек-
тростатического поля:

div

E

= 4

πρ.

(14)

Второе дифференциальное уравнение, указывающее на отсутствие вих-
рей у электростатического поля, можно получить с помощью теоремы
Стокса, исходя из условия потенциальности поля:

I

L

(

E

·

d

l

) = 0 =

rot

E

= 0

.

(15)

Две дифференциальные характеристики (14) и (15) полностью опреде-
ляют векторное поле. Вводя на основании уравнения (15) электростати-
ческий потенциал, согласно соотношению

12


background image

E

=

grad

ϕ,

(16)

и подставляя его в (14), получим уравнение Пуассона для потенциала:

ϕ

=

4

πρ.

(17)

Решение этого уравнения согласно (10) имеет вид суперпозиции потен-
циалов полей, создаваемых точечными зарядами

dq

(

r

0

) =

ρ

(

r

0

)

d

r

0

:

ϕ

(

r

) =

Z

ρ

(

r

0

)

d

r

0

|

r

r

0

|

.

(18)

Подставляя правую часть этого равенства в (16), получим аналогичное
выражение для напряженности:

E

(

r

) =

Z

ρ

(

r

0

)(

r

r

0

)

|

r

r

0

|

3

d

r

0

.

(19)

Соотношения (13) – (19) позволяют рассчитывать напряженности и по-
тенциалы электростатических полей, создаваемых различными систе-
мами зарядов. При использовании этих уравнений следует учитывать
симметрию распределения зарядов в пространстве, приводящую к суще-
ственному упрощению расчетов. В случае поверхностных или линейных
зарядов объемные интеграл и плотность

ρ

(

r

0

)

в выражениях (18) – (19)

следует заменить соответственно на поверхностные или линейные инте-
грал и плотность

σ

(

r

0

)

или

τ

(

r

0

)

.

13


background image

Задачи к главе 2

Дифференциальные уравнения электростатики

Задача 2.1.

Найти напряженность

E

электростатического поля, потен-

циал

ϕ

которого равен:

а)

a

[

b

×

r

];

б)

[

a

×

r

][

b

×

r

];

в)

(

d

·

r

) cos(

k

·

r

);

г)

(

d

·

r

)

/r

3

;

д)

f

(

r

)

F

(

r

);

е)

F

(

f

(

a

·

r

))

.

Здесь векторы

a

,

b

,

k

и

d

не зависят от координат и времени, а

f

и

F

произвольные дифференцируемые функции своего аргумента.

Ответы:

а)

[

b

×

a

];

б)

(

a

·

r

)

b

2(

a

·

b

)

r

+ (

b

·

r

)

a

;

в)

(

d

·

r

)

k

sin(

k

·

r

)

d

cos(

k

·

r

);

г)

3(

d

·

r

)

r

/r

5

d

/r

3

;

д)

·

df

(

r

)

dr

F

(

r

) +

f

(

r

)

dF

(

r

)

dr

¸

r

r

;

е)

dF

df

df

d

(

ar

)

a

.

Задача 2.2.

Можно ли создать в пространстве электростатическое поле

с напряженностью:

а)

E

= [

a

×

r

];

б)

E

= (

a

·

r

)

b

;

в)

E

= (

a

·

r

)

r

;

г)

E

=

f

(

r

)[

a

×

r

]

,

где

a

и

b

– постоянные вектора?

Ответы:

а) нельзя, так как ротор заданной векторной функции отличен от ну-

ля:

rot

E

= 2

a

;

б) можно, если вектора

a

и

b

параллельны, так как при этом усло-

вии ротор заданной векторной функции равен нулю, а дивергенция
отлична от нуля:

rot

E

= [

a

×

b

];

div

E

= (

a

·

b

);

в) нельзя, так как ротор заданной векторной функции отличен от ну-

ля:

rot

E

= [

a

×

r

];

14


background image

г) нельзя, так как ротор заданной векторной функции отличен от ну-

ля:

rot

E

=

µ

r

a

r

r

(

r

·

a

)

∂f

∂r

+ 2

a

f

(

r

)

.

Задача 2.3.

Определить распределение объемной плотности

ρ

заряда,

создавшего в пространстве электрическое поле с напряженностью

E

, рав-

ной:

а)

(

b

·

r

)

b

;

б)

gr

r

;

в)

e

r

r

3

½

1

·

1 +

2

r

a

³

1 +

r

a

´¸

exp

µ

2

r

a

¶¾

.

Здесь векторы

a

,

b

и величины

a

,

g

и

e

не зависят от координат, а

f

-

произвольная дифференцируемая функция своего аргумента.

Ответы:

а)

b

2

4

π

;

б)

gr

π

.

в)

e

πa

3

e

2

r/a

;

Теорема Гаусса

Задача 2.4.

Показать, что в случае сферически-симметричного распре-

деления зарядов

ρ

(

r

)

вектор напряженности электрического поля на-

правлен по радиусу-вектору:

E

k

r

.

Задача 2.5.

Шар радиуса

R

заряжен по объему зарядом

Q

с постоян-

ной плотностью

ρ

. Найти распределение напряженности поля

E

внутри

и вне шара.

Решение.
Поле шара, заряженного с постоянной плотностью

ρ

(

r

)

, обладает сфе-

рической симметрией:

E

r

=

E

(

r

)

;

E

θ

=

E

ϕ

= 0

.

Применив теорему Гаус-

са

H

S

(

E

·

d

S

) = 4

π

R

V

ρ

(

r

)

dV

к сферической поверхности радиуса

r

R

с

центром в центре заряженного шара, получим

E

·

4

πr

2

= 4

πρ

(

r

)

·

4
3

πr

3

;

E

=

4
3

πρr

;

E

=

4
3

πρ

r

=

Q

r

/R

3

.

Для аналогичной сферической поверхности радиуса

r > R

имеем:

E

·

4

πr

2

= 4

πρ

(

r

)

·

4
3

πR

3

;

E

=

4
3

πρ

R

3

r

2

;

E

=

4
3

πρ

R

3

r

3

r

=

Q

r

/r

3

.

15