均匀带电球面在外部空间激发的电场与其上电荷全部集中在球心时激发的电场一样,而带电球面内的场强处处为零。

在电荷分布具有某种对称性的条件下,利用高斯定律可以方便地求解静电场的场强分布。最简单也是最实用的例子是一个半径为 ,总带电量为 的均匀带电球面激发的电场。考虑空间中任意一点 ,均匀带电球面在该点激发的电场可按下式计算:其中的积分沿着整个带电球面 , 是球面上每一小片电荷到场点的距离, 是对应的单位矢量。如果直接利用这个积分式对整个带电球面积分,从而求出 点的电场强度,那将是一件相当困难的事情。不过,由于现在这个带电球面上的电荷是均匀的,电荷的分布具有球对称性,这种对称性将导致电场在空间中的分布也具有球对称性。下面就来分析,这种球对称性到底是一种怎样的对称性。为了分析电场的空间分布特征,从 点向球心作连线,带电球面的电荷关于连线成对称分布。对于带电球面上的任意一小片电荷 ,总能够找到关于连线对称的另一小片电荷 ,由对称性可知,这两小片电荷在 点激发的电场关于连线对称,这导致与 点的径向垂直的分量相消,只剩下径向分量相叠加。于是,当对整个带电球面积分时,这些相互对称的小片电荷将只产生出沿 点径向分量的电场。另一方面,由于电荷分布具有球对称性,它所激发的电场在数值上也具有球对称性。因此,在任何与带电球面同心的球面上,电场强度的数值相等,方向沿着径向。
根据电场的这种对称性,选取通过空间任意点 (也就是我们想要知道其电场强度的那一点) 并与带电球面同心的球面 作为求解电场强度的高斯面,它的半径就是 点离开球心的距离 。根据高斯定律,通过高斯面的电通量其中 是高斯面内的总电量。原则上说,在一个积分式中,被积函数必须是已知的,积分运算才能进行下去。不过,由于对称性,现在这个被积函数虽然是未知的,但沿着积分区域 (与带电球面同心的球面) 却是一个常数,这意味着可以将它提到积分号外,积分就可以进行下去了:如果所考虑的 点在带电球面的外侧,则高斯面内的总电量 ,由高斯定律可以求得 点电场强度的数值:再结合前面对 点电场方向的分析,就可以得到带电球面外侧任意点的电场强度的表达式:我们看到,均匀带电球面在外部空间激发的电场与其上电荷全部集中在球心时激发的电场一样。
如果 点在均匀带电球面的内侧,则高斯面内没有电荷:,由高斯定律可以得到 点的电场强度为零。因此,均匀带电球面内的场强处处为零。结合带电球面内外两个区域的结果,得到均匀带电球面激发的电场的空间分布:我们已经利用高斯定律得出,一个均匀带电球面激发的电场只分布在带电球面的外侧,球面内的场强为零。设想通过外力将这个带电球面压缩,使其半径变小,外力就要做功,这就意味着有能量的转换。外力所做的功转换成什么形式的能量呢?
考察压缩的过程就会发现,在带电球面经过压缩后,原来场强为零的内部区域有一部分转到球面的外侧,场强不再为零。根据高斯定律,球面外侧电场分布的表达式并没有改变,因此,压缩前场强不为零的区域的电场分布没有改变,而压缩过程使转移到球面外侧的区域产生出电场。这就意味着外力做的功只能储存在发生了改变的这部分区域,或者说,外力的功转换成新建立的这部分电场的能量。
根据现代物理学的观点,任何电场都具有能量,能量密度可以表示成:在后续的课程中,我们将通过物理和数学的考虑,把这个能量密度的表达式推导出来。