- •Т е о р е т и ч н і
- •Вінниця внту 2004
- •II методи розрахунку електростатичного
- •III електричне поле постійних струмів
- •В с т у п
- •Віднімання двох векторів іможна звести до операції суми
- •Iелектростатичне поле
- •1.1 Закон Кулона
- •Врахувавши попереднє, отримуємо
- •Скалярний добуток
- •Різниця потенціалів між точками івизначається
- •Звідси визначаються проекції напруженості поля по осях координат
- •1.13 Теорема єдиності розв’язку
- •Контрольні питання
- •II методи розрахунку електростатичного поля
- •2.2 Застосування співвідношень, які пов’язані з законом Кулона
- •2.3 Застосування теореми Гаусса Приклад 2.5
- •Приклад 2.6
- •Приклад 2.7
- •Приклад 2.8
- •Приклад 2.9
- •Приклад 2.10
- •Приклад 2.11
- •Приклад 2.12
- •Приклад 2.13
- •Приклад 2.14
- •2.5 Розподіл потенціалів і зарядів в системі заряджених тіл
- •Приклад 2.17
- •2.6 Застосування рівнянь Пуассона і Лапласа
- •III електричне поле постійних струмів в провідному середовищі
- •3.3 Напруженість сторонніх сил. Електрорушійна сила
- •3.4 Закони Кірхгофа в диференціальній формі
- •3.5 Диференціальна форма закону Джоуля-Лєнца
- •3.6 Електричне поле в провідному середовищі
- •3.7 Аналогія між електричним полем в провідному середовищі
- •Таблиця
- •3.8 Приклади розрахунку електричних полів
- •Контрольні питання
- •Література
- •Навчальне видання
2.6 Застосування рівнянь Пуассона і Лапласа
Приклад 2.18
Між
двома плоскими пластинами, що знаходяться
на відстані
одна від одної, розподілений в діелектрику
(
)
об’ємний заряд з густиною
.
Розміри електродів набагато більші ніж
відстані між ними (рис.2.25). Визначити
закон зміни потенціалу і напруженості
поля.
Розв’язування. Параметри поля будемо знаходити в двох областях – в області, що містить об’ємний заряд (між пластинами) і в області, де об’ємний заряд відсутній.
В
першій області виберемо прямокутну
систему координат і, врахувавши, що при
великих розмірах пластин потенціал і
напруженість поля залежать тільки від
координати
,
запишемо рівняння Пуассона (1.46)
![]()
.
Проінтегрувавши дане рівняння один раз, отримаємо
.
Після другого інтегрування матимемо
.
(2.50)
Рисунок 2.25
Напруженість поля пов’язана з потенціалом так
.
В прямокутній системі координат
.
Для нашого випадку
.
(2.51)
Постійні
інтегрування
і
знаходимо із граничних умов.
Оскільки
точку з нульовим потенціалом можна
вибрати довільно, приймемо, що нульовий
потенціал має точка на початку координат
(
),
тобто при
.
Підставимо цю умову в (2.50) і отримаємо
.
В зв’язку з симетрією поля відносно осі ординат наступна гранична умова буде рівність потенціалів пластин
.
Тоді
;
Звідки
.
Отже,
в області, зайнятій об’ємним зарядом
(
)
.
(2.52)
Вектор напруженості поля
.
(2.53)
Величина напруженості поля
.
В
області, яка не зайнята об’ємним зарядом,
використаємо рівняння Лапласа в
прямокутній системі координат, знову
ж врахувавши те, що при дуже великих
розмірах пластин
і
залежать тільки від координати![]()
.
Після інтегрування отримаємо
,
(2.54)
.
(2.55)
На
межі розділу двох діелектриків (
)
рівні потенціали
(2.56)
і нормальні складові векторів електричного зміщення
або
.
(2.57)
Підставивши
в (2.57) значення
і
з (2.53) та (2.55), отримаємо
.
Звідки
.
Після
підстановки (2.52) і (2.54) в (2.56) при
отримаємо
.
Врахувавши,
що
![]()
.
Отже,
для
![]()
.
.
Напруженість поля зовні пластин величина постійна.
Потенціал
поля (
)
.
На
рис.2.26 наведені графіки зміни потенціалу
і модуля напруженості поля в залежності
від координати
.

Рисунок 2.26
Приклад 2.19
В
коаксіальному кабелі, радіус внутрішнього
провідника якого
,
а зовнішньої провідної оболонки
,
потенціал змінюється за таким законом
,
де
– відстань від осі циліндрів до довільної
точки (рис.2.27);
.
Д
іелектрична
проникність середовища всередині кабелю
.
Зовні кабелю діелектрична проникність
середовища
.
Знайти закон розподілу напруженості поля і об’ємної густини заряду всередині кабелю, напругу між внутрішнім провідником і оболонкою, а також
закон розподілу напруженості і потенці-
Рисунок 2.27 ала поля зовні кабелю.
Розв’язування.
Для розв’язування задачі всередині
коаксіального кабелю використаємо
рівняння Пуассона в циліндричних
координатах (1.48), врахувавши те, що і
напруженість і потенціал в зв’язку з
циліндричною симетрією залежать тільки
від координати
![]()
.
Застосувавши послідовно операцію диференціювання, отримаємо
,
.
Звідси об’ємна густина заряду
![]()
або
![]()
є постійною величиною.
Напруженість електричного поля
.
В
циліндричній системі координат, коли
величина
залежить тільки від координати![]()
.
Звідси
закон зміни напруженості поля всередині
циліндра (
)
.
Напруга між внутрішнім провідником і зовнішньою оболонкою
![]()
.
Підставивши числові значення, отримаємо
.
Отже,
всередині кабелю закон зміни напруженості
поля в залежності від відстані
матиме вигляд
.
Зовні кабелю заряди відсутні, тому застосуємо рівняння Лапласа
.
Після двократного інтегрування отримаємо
.
Запишемо граничні умови для знаходження постійних інтегрування. Зовнішня оболонка є еквіпотенціальною поверхнею і в силу неперервності потенціалу має місце рівність
![]()
або
.
В зв’язку з тим, що
![]()
то
![]()
і
.
Другою
граничною умовою є рівність на межі
розділу двох середовищ нормальних
складових вектора електричного зміщення
(
)
![]()
або
.
Знайдемо спочатку закон зміни напруженості поля зовні кабелю
.
В зв’язку з тим, що вектор напруженості нормальний до поверхні розділу середовищ, то друга гранична умова така
.
Звідси
при
![]()
.
Отже
зовні кабелю (
)
,
.
На
рис.2.28 наведені графіки зміни потенціалу
і напруженості поля в залежності від
відстані. При
поле відсутнє,
,
потенціал
.

Рисунок 2.28
Приклад 2.20
Поле сферичного конденсатора з двошаровим діелектриком
Визначимо закон зміни напруженості, потенціалу в залежності від радіуса та знайдемо ємність сферичного конденсатора.
Розв’язування.
Нехай радіус внутрішньої провідної
сфери
,
радіус зовнішньої сфери
,
радіус межі розділу діелектриків
(рис.2.29).
Заряд конденсатора
і потенціал зовнішньої сфери дорівнює
нулю. Поле внутрішньої сфери (провідне
середовище) відсутнє.
Оскільки
між обкладками конденсатора немає
вільних зарядів, то використаємо рівняння
Лапласа окремо для області з проникністю
і для області з
.
Застосовуємо сферичну
систему координат, врахувавши те, що
при сферичній симетрії потенціал і
напруженість поля залежать тільки від
координати
.
Рисунок
2.29 Для першої
області (
)
.
Після першого інтегрування
або
.
Проінтегрувавши ще раз, матимемо
.
Напруженість поля
.
Для
другої області (
)
![]()
.
(2.58)
Знайдемо
граничні умови. На поверхні внутрішньої
сфери (
)
електричне зміщення дорівнює поверхневій
густині заряду
.
Звідки
![]()
і
.
(2.59)
На межі розділу двох діелектриків рівні нормальні складові векторів електричного зміщення
.
В зв’язку з тим, що вектори електричного зміщення нормальні до поверхні розділу діелектриків, то
![]()
або
.
Звідси з урахуванням (2.58) і (2.59)
.
Отже
![]()
Потенціал зовнішньої сфери за умовою задачі дорівнює нулю, тому
![]()
і
.
В зв’язку з тим, що потенціал функція неперервна, то
![]()
або
.
Звідси
.
Отже,
в першій області (
)

,
в
другій області (
)
,
.
Напруга на обкладках конденсатора
.
Ємність конденсатора
.
(2.60)
Приклад 2.21
Поле між двома зарядженими пластинами, що розташовані одна відносно одної під кутом
Дві
квадратні металеві пластини великої
довжини зі сторонами довжиною
знаходяться в повітрі (
),
утворюють, не доторкуючись одна до
одної, двогранний кут
(рис.2.30). Потенціал першої пластини
.
Напруга між пластинами
.
Найменша відстань між пластинами
.

Рисунок 2.30
Розв’язування. Встановимо залежність зміни потенціалу і напруженості поля між пластинами від координат, не враховуючи поля на краях пластин.
Використаємо
рівняння Лапласа в циліндричній системі
координат. Із умов симетрії величина
потенціалу
залежить тільки від координати
і не залежить від координат
і
.
Вісь
проведемо через уявну лінію перетину
металевих пластин (точка О на рис.2.31).

Рисунок 2.31
При
даних умовах для будь-якої точки
![]()
.
Після першого інтегрування
.
Після другого
.
(2.61)
Граничні умови:
.
Підставимо дані граничні умови в (2.61) і отримаємо
.
Отже,
.
(2.62)
Еквіпотенціальні
поверхні (
)
мають вигляд півплощин (рис.2.32, пунктирні
лінії) і сходяться на площині, слідом
якої є лінія
.

Рисунок 2.32
Далі еквіпотенціальні поверхні змінюють свою форму. Визначення вигляду цих форм проводити не будемо.
Напруженість
електричного поля
має тільки одну складову, що залежить
від координати
.
В циліндричній системі координат
.
Отже,
.
Знак мінус показує на те, що напруженість поля направлена від позитивно зарядженої пластини до від’ємно зарядженої. Силові лінії представляють собою дуги кіл, які починаються на позитивно зарядженій пластині і закінчуються на від’ємно зарядженій, і перпендикулярні до них. Картина поля наведена на рис.2.32.
Знайдемо
ємність
.
Для цього необхідно визначити заряд
пластин. Відомо, що на провідній поверхні
електричне зміщення
дорівнює поверхневій густині
.
Тому поверхнева густина заряду на
провідній поверхні, яка розташована на
осі
,
визначається
.
В
зв’язку з тим, що
залежить від координати
,
то пластини заряджені не рівномірно.
Для визначення заряду всієї пластини використаємо вираз
,
в якому інтегрування повинно проводитися по всій поверхні пластини.
В
прямокутній системі координат (рис.2.31)
елемент поверхні
,
а межами інтегрування будуть значення
і
,
тому
.
(2.63)
Величину
(відстань від початку координат до
початку поверхні) зручно виразити через
кут
і відстань![]()
,
тому
.
Звідси визначимо ємність
.
(2.64)
Наприклад,
.
В цьому випадку
.
При
![]()
.
Якщо
кут
,
то отримаємо плоский конденсатор.
Безпосередня підстановка
в (2.64) приводить до невизначеності.
Розкривши цю невизначеність за правилом
Лопіталя, отримаємо
,
що збігається з виразом, отриманим у прикладі 2.10.
При
![]()
.
