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有關(guān)勻強(qiáng)電場的簡單證明

2023-06-07 14:03 作者:mcddcm-pro  | 我要投稿

? ? ? ?我們知道,無限大均勻帶電平面導(dǎo)體板所產(chǎn)生的電場是勻強(qiáng)電場,也就是其產(chǎn)生的電場與在電場中所處的位置無關(guān),只和導(dǎo)體板本身性質(zhì)相關(guān)。

? ? ? ?接下來將使用微積分給出有關(guān)勻強(qiáng)電場的簡單證明。

? ? ? ?注:該證明過程中的導(dǎo)體板均指無限大均勻帶電平面導(dǎo)體板

證明如下:

? ? ? ?首先,對點電荷產(chǎn)生的電場可用公式:

E%3Dk%5Cfrac%7BQ%7D%7Br%5E%7B2%7D%7D%20? ? ??

??其中?r 為該點到點電荷的距離,Q 為場源電荷的電荷量

? ? ? ?我們設(shè)導(dǎo)體板的電荷面密度(單位面積所帶的電荷量)為??%5Csigma%20?,此時任取空間內(nèi)(導(dǎo)體板平面外)一點?A?,其與導(dǎo)體板相距??r? ,將該點投影到導(dǎo)體板平面上,得到點?O%0A?。以點?O%0A?為原點,在導(dǎo)體板平面內(nèi)建立坐標(biāo)系?xOy%0A,點?P%0A?為該平面內(nèi)任意一點。

圖一
圖二

? ? ? ?如圖一所示,設(shè)有向線段?PA%0A??與有向線段?OA?夾角為 %5Ctheta%20?,有向線段?OP 與?y?軸夾角為?%5Cvarphi%20

? ? ? ?如圖二所示,考慮由?%5Cvarphi%20?和 r%5Ctan%5Ctheta%20%20 各取得微小增量?%5Cmathrm%7Bd%7D%5Cvarphi%20 和?%5Cmathrm%7Bd%7D(r%5Ctan%20%5Ctheta)%20?所成的四邊形,不計高階無窮小,可將該四邊形看作長方形,其長寬分別為?r%5Ctan%20%5Ctheta%5Cmathrm%7Bd%7D%5Cvarphi%20 和?%5Cmathrm%7Bd%7D(r%5Ctan%20%5Ctheta)%20?,于是得該點面積元素:

%5Cmathrm%7Bd%7DS%3Dr%5Ctan%20%5Ctheta%5Cmathrm%7Bd%7D%5Cvarphi%5Cmathrm%7Bd%7D(r%5Ctan%20%5Ctheta%20)%20%3Dr%5E%7B2%7D%20%5Ctan%20%5Ctheta%5Cmathrm%7Bd%7D%5Cvarphi%5Cmathrm%7Bd%7D(%5Ctan%20%5Ctheta%20),

則 點?P?在?A?處產(chǎn)生的電場大?。ㄓ捎趯ΨQ性平行分量被抵消,此處只考慮垂直分量)為

%5Cmathrm%7Bd%7DE%3Dk%5Cfrac%7B%5Csigma%20%5Cmathrm%7Bd%7DS%7D%7B(%5Cfrac%7Br%7D%7B%5Ccos%5Ctheta%20%7D%20)%5E%7B2%7D%7D%5Ccos%20%5Ctheta%20%3Dk%5Csigma%20%5Cfrac%7Br%5E%7B2%7D%20%5Ctan%20%5Ctheta%5Cmathrm%7Bd%7D%5Cvarphi%5Cmathrm%7Bd%7D(%5Ctan%20%5Ctheta%20)%5Ccos%5E%7B3%7D%5Ctheta%20%20%7D%7Br%5E%7B2%7D%7D,

將上式?r%5E%7B2%7D?消去,可得:

%5Cmathrm%7Bd%7DE%3Dk%5Csigma%20%5Ctan%20%5Ctheta%5Ccos%5E%7B3%7D%5Ctheta%5Cmathrm%7Bd%7D%5Cvarphi%5Cmathrm%7Bd%7D(%5Ctan%20%5Ctheta%20),

令?%5Ctan%20%5Ctheta%20%3Dx?,同時有%5Ccos%20%5E%7B2%7D%5Ctheta%20%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B%5Ctan%5E%7B2%7D%5Ctheta%20%2B1%20%7D%20,整理可得:

%5Cmathrm%7Bd%7DE%3Dk%5Csigma%5Cfrac%7Bx%7D%7B%5Csqrt%7B(x%5E%7B2%7D%2B1)%5E%7B3%7D%7D%20%7D%20%20%5Cmathrm%7Bd%7Dx%5Cmathrm%7Bd%7D%5Cvarphi,

(其中?x%20%5Cin%20%5Cleft%20%5B0%2C%2B%20%20%5Cinfty%20%20%5Cright%20%20)%20%20,%5Cvarphi%20%20%5Cin%20%5Cleft%20%5B0%2C2%5Cpi%20%20%5Cright%20%20%5D%20

對上式兩邊同時積分,可得:

E%3Dk%5Csigma%20%5Cint_%7B0%7D%5E%7B2%5Cpi%20%7D%20%5Cmathrm%7Bd%7D%5Cvarphi%20%5Cint_%7B0%7D%5E%7B%5Cinfty%20%7D%5Cfrac%7Bx%7D%7B%5Csqrt%7B(x%5E%7B2%7D%2B1)%5E%7B3%7D%7D%20%7D%20%20%5Cmathrm%7Bd%7Dx%20,

(其中%5Cint_%7B0%7D%5E%7B%5Cinfty%20%7D%5Cfrac%7Bx%7D%7B%5Csqrt%7B(x%5E%7B2%7D%2B1)%5E%7B3%7D%7D%20%7D%20%20%5Cmathrm%7Bd%7Dx%20%3D1

最終可得E%3D2%5Cpi%20k%5Csigma%20.

? ? ? ?該式表明,無限大均勻帶電平面導(dǎo)體板產(chǎn)生的電場,與在該電場中所處位置無關(guān),只與導(dǎo)體板電荷面密度?%5Csigma%20?有關(guān)。也就是說,在同一導(dǎo)體板產(chǎn)生的電場中,電場處處相同,大小為2%5Cpi%20k%5Csigma%20,方向與板面垂直,即無限大均勻帶電平面導(dǎo)體板產(chǎn)生的電場為勻強(qiáng)電場。

一些結(jié)論:

  • 在真空中,兩塊完全相同平行放置且?guī)в械攘慨惙N電荷的導(dǎo)體板,由場強(qiáng)疊加原理易得其產(chǎn)生的場強(qiáng)大小?E%3D4%5Cpi%20k%5Csigma%20?,同樣為勻強(qiáng)電場。

  • 在真空中,對平行板電容器,板間可看作勻強(qiáng)電場,有C%3D%5Cfrac%7BQ%7D%7BU%7D%3D%5Cfrac%7B%5Csigma%20S%7D%7BEd%7D%20%20%3D%5Cfrac%7B%5Csigma%20S%7D%7B4%5Cpi%20k%5Csigma%20d%7D%3D%5Cfrac%7BS%7D%7B4%5Cpi%20k%20d%7D%20.

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