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​通过闭合曲面的电通量

 cosmos2062 2023-04-23 发布于广东
如果一个闭合曲面内不包含任何带电体,则通过这个闭合曲面的电通量等于零。
前面用两种不同的方式引入了电通量的概念,并给出了计算电通量的一般表达式。对任意电场和任意曲面,通过这个曲面的电通量按照如下公式计算:
一个很简单的例子是,在一个匀强电场中,通过一个平面的电通量,电场的方向与平面的法向之间有一个夹角 。按照计算电通量的原则,将平面分割成无数个无穷小的面元,写出通过每一个面元的电通量的表达式 ,然后对全部面元求和,也就是对平面做积分:
由于所考虑的是匀强电场和平面,因此,电场强度的数值和方向在全空间是一样的。于是,在积分表达式中,电场强度的数值和角度的数值是常数,可以直接提到积分号外,剩下的就是对面元的面积做积分,结果等于整个平面的总面积:

在许多情况下,我们想要知道通过一个闭合曲面的电通量。假定在一个任意电场中有一个闭合曲面,为了简单起见,假定闭合曲面内没有任何带电体,空间中的电场是由闭合曲面外的带电体激发的。根据电通量的计算原则,写下计算电通量的积分表达式:

由于现在是对一个闭合的曲面做积分,我们使用一个新的积分符号来表示这个积分。

如果你足够细心,应该马上就会发现一个问题。在这个积分中,电场强度是任意的,闭合曲面的形状也是任意的,这样的积分似乎注定了是无法实施的。

前面曾经提到,对一个任意曲面,在面上的每一个点处都有两个互为正负的法向矢量,在实际应用中取哪一个作为   是随意的。不过,对一个闭合曲面,由于它将空间分隔成内外两个区域,因此,在曲面的每一个点处,这两个法向矢量就有了区别,一个指向闭合曲面的内部方向,叫做内法向矢量,另一个指向曲面的外部,被称为外法向矢量。在这种情况下,人们习惯上约定,取每一个点处的外法向矢量作为该点处的面元的法向矢量。
在做了这样的约定后,从电场强度的场线图不能明白,在闭合曲面上有电场线进入曲面的位置,,而在有电场线穿出曲面的位置,

一旦选定了闭合曲面上每一点处的法向矢量,就可以着手解决积分的问题。

在闭合曲面上取一小块曲面 ,可以不失一般性地假定,电场线从 进入闭合曲面内,因此必有:
接下来,沿着过 的边缘的电场线作一个管状面,把 包裹起来。由于闭合曲面内不存在带电体,电场线不可能在闭合曲面内终止,因此,这个管状面上的电场线必定从 处进入闭合曲面内,然后在闭合曲面的另一端某处截出一小块曲面 并穿出闭合曲面。由于在没有电荷的区域内,电场线既不重合也不相交,因此,所有处于管状面内部的电场线一定从 处进入闭合曲面,从 处穿出闭合曲面:
由上述分析得出,对闭合曲面上的任意一小块 ,总有另一小块 与之对应,使得 。因此,当对整个闭合曲面求积分时,进入闭合曲面的电场线数目与穿出闭合曲面的电场线数目相等,没有净的进出数。于是,如果一个闭合曲面内不包含任何带电体,则通过这个闭合曲面的电通量等于零。

更正:

电场线与立体角一节的更正:原图的右图有一个小错误,其中的立体角元只标记了一半,这是不对的。正确的图应该如上面的右图所示。

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