5.6: Berekenen van elektrische velden van ladingsverdelingen

LEERDOELSTELLINGEN

Aan het eind van dit deel zul je in staat zijn om:

  • Uitleggen wat een continue bron ladingsverdeling is en hoe het samenhangt met het concept van kwantisatie van lading
  • Lijnladingen, oppervlakteladingen en volumeladingen beschrijven
  • Het veld berekenen van een continue bron ladingsverdeling van elk teken

De ladingsverdelingen die we tot nu toe hebben gezien waren discreet: opgebouwd uit individuele puntdeeltjes. Dit in tegenstelling tot een continue ladingsverdeling, die ten minste één dimensie heeft die niet nul is. Als een ladingsverdeling continu is in plaats van discreet, kunnen we de definitie van het elektrisch veld veralgemenen. We verdelen de lading eenvoudigweg in infinitesimale stukjes en behandelen elk stukje als een puntlading.

Merk op dat, omdat lading gekwantiseerd is, er niet zoiets bestaat als een “echt” continue ladingsverdeling. Maar in de meeste praktische gevallen bestaat de totale lading die het veld creëert uit zo’n groot aantal discrete ladingen dat we veilig het discrete karakter van de lading kunnen negeren en het als continu kunnen beschouwen. Dit is precies de benadering die we maken als we een emmer water beschouwen als een continue vloeistof, in plaats van een verzameling moleculen.

Onze eerste stap is het definiëren van een ladingsdichtheid voor een ladingsverdeling langs een lijn, over een oppervlak, of binnen een volume, zoals in figuur

Figuur a toont een lange staaf met lineaire ladingsdichtheid lambda. Een klein segment van de staaf is gearceerd en gelabeld d l. Figuur b toont een oppervlak met oppervlakteladingsdichtheid sigma. Een klein gebied binnen het oppervlak is gearceerd en gelabeld d A. Figuur c toont een volume met volumeladingsdichtheid rho. Een klein volume daarin is gearceerd en gelabeld d V. Figuur d toont een oppervlak met twee gebieden gearceerd en gelabeld q 1 en q2. Boven (niet op) het oppervlak is een punt P aangegeven. Een dunne lijn geeft de afstand tot elk van de gearceerde gebieden aan. De vectoren E 1 en E 2 worden getekend in het punt P en wijzen weg van het respectieve gearceerde gebied. E net is de vectorsom van E 1 en E 2. In dit geval wijst hij omhoog, weg van het oppervlak.
Figuur (PaginaIndex{1}): De configuratie van de ladingsdifferentiaalelementen voor een (a) lijnlading, (b) ladingsblad en (c) ladingsvolume. Merk ook op dat (d) sommige componenten van het totale elektrische veld opheffen, terwijl de rest resulteert in een netto elektrisch veld.

Definities: Laaddichtheden

Definities van ladingsdichtheid:

  • lineaire ladingsdichtheid: \lading per lengte-eenheid (figuur); eenheden zijn coulomb per meter (C/m))
  • oppervlakteladingsdichtheid: \lading per oppervlakte-eenheid (figuur); eenheden zijn coulomb per vierkante meter (C/m^2)
  • volumeladingsdichtheid: \lading per volume-eenheid (figuur \PageIndex{1c}); eenheden zijn coulomb per vierkante meter (C/m^3)

Voor een lijnlading, een oppervlaktelading, en een volumelading wordt de sommatie in de eerder besproken definitie van een elektrisch veld een integraal en wordt \(q_i) vervangen door respectievelijk \(dq = \lambda dl), \(\sigma dA), of \(\rho dV):

Verwachte{E}(P) &= \onderbrace{\dfrac{1}{4\pi \epsilon_0} \int_{line} \left(\dfrac{lambda \, dl}{r^2}}rechts) \hat{r}}_{text{Lijnlading}} \label{eq2} &= \underbrace{dfrac{1}{4pi \epsilon_0} …\int_{surface}… \links(\dfrac{\sigma \,dA}{r^2}}rechts) \hat{r} }_{\text{Surface charge}}\label{eq3} &= \underbrace{dfrac{1}{4pi \epsilon_0} \. \left(\dfrac{\rho \,dV}{r^2}}rechts) \hat{r}}_{text{Volume lading}} {\label{eq4}

De integralen in vergelijkingen \ref{eq1}-\ref{eq4} zijn generalisaties van de uitdrukking voor het veld van een puntlading. Ze bevatten impliciet het principe van superpositie en gaan daar ook van uit. De “truc” om ze te gebruiken is bijna altijd om met correcte uitdrukkingen te komen voor (dl), (dA), of (dV), naargelang het geval, uitgedrukt in termen van r, en ook om de ladingsdichtheidsfunctie op de juiste manier uit te drukken. Het kan constant zijn; het kan afhankelijk zijn van de plaats.

Neem zorgvuldig de betekenis van r in deze vergelijkingen: Het is de afstand van het ladingselement (q_i, libda, dl, sigma, dA, rho, dV) tot de plaats van belang, P(x, y, z) (het punt in de ruimte waar je het veld wilt bepalen). Verwar dit echter niet met de betekenis van \(\wat{r}}); we gebruiken deze en de vector-notatie \(\vec{E}}) om drie integralen in één keer te schrijven. Dat wil zeggen, vergelijking \ref{eq2} is eigenlijk

E_y(P) &= \dfrac{1}{4\pi \epsilon_0} \int_{line} \_y, E_z(P) &= \dfrac{1}{4\pi \epsilon_0} \int_{line} \links(\dfrac{lambda}, dl}{r^2}rechts)_z \eind{align}

Exemplaar (Pagina-index{1}): Elektrisch veld van een lijnstuk

Bepaal het elektrisch veld op een afstand z boven het middelpunt van een recht lijnstuk met lengte L dat een uniforme lineaire ladingsdichtheid heeft.

Strategie

Omdat dit een continue ladingsverdeling is, breken we het draadsegment conceptueel op in differentiële stukken van lengte \(dl\), die elk een differentiële hoeveelheid lading dragen

Daarna berekenen we het differentiële veld dat ontstaat door twee symmetrisch geplaatste stukken van de draad, gebruikmakend van de symmetrie van de opstelling om de berekening te vereenvoudigen (figuur \(\PageIndex{2})). Tenslotte integreren we deze uitdrukking van het differentiaalveld over de lengte van de draad (de helft eigenlijk, zoals we hieronder uitleggen) om de volledige uitdrukking van het elektrisch veld te verkrijgen.

Een lange, dunne draad bevindt zich op de x-as. Het uiteinde van de draad ligt op een afstand z van het middelpunt van de draad. Een klein stuk van de draad, een afstand x rechts van het midden van de draad, is gearceerd. Een ander segment, op dezelfde afstand links van het midden, is ook gearceerd. Punt P ligt een afstand z boven het middelpunt van de draad, op de z-as. Punt P ligt op een afstand r van elk gearceerd gebied. De r-vectoren wijzen van elk gearceerd gebied naar punt P. In punt P worden de vectoren d E 1 en d E 2 getekend. d E 1 wijst weg van het linker gearceerde gebied en wijst naar boven en naar rechts, onder een hoek theta met de z-as. d E 2 wijst weg van het rechter gearceerde gebied en wijst naar boven en naar links, onder dezelfde hoek met de verticaal als d E 1. De twee d E vectoren zijn even lang.
Figuur (Pagina-index{2}): Een gelijkmatig geladen draadsegment. Het elektrisch veld in het punt (P) kan worden gevonden door het superpositieprincipe toe te passen op symmetrisch geplaatste ladingselementen en te integreren.

Oplossing

Voordat we er induiken, hoe verwacht men dat het veld er van veraf “uitziet”? Omdat het een eindig lijnstuk is, moet het er van veraf uitzien als een puntlading. We zullen de uitdrukking die we krijgen controleren om te zien of die aan deze verwachting voldoet.

Het elektrisch veld voor een lijnlading wordt gegeven door de algemene uitdrukking

De symmetrie van de situatie (onze keuze van de twee identieke differentiële stukken lading) impliceert dat de horizontale (x)-componenten van het veld opheffen, zodat het netto veld in de (z)-richting wijst. Laten we dit formeel controleren.

Het totale veld \(\vec{E}(P)\) is de vectorsom van de velden van elk van de twee ladingselementen (noem ze voorlopig \(\vec{E}_1) en \(\vec{E}_2)):

&= E_{1x}\hat{i} + E_{1z}\Wat{k} + E_{2x} (-{hat{i}) + E_{2z}}\Dat{k}.

Omdat de twee ladingselementen identiek zijn en op dezelfde afstand liggen van het punt waar we het veld willen berekenen, \(E_{1x} = E_{2x}}), heffen die componenten op. Dan blijft over

&= E_1 \, \cos \, \theta \hat{k} + E_2 \, \cos \, \theta \hat{k}.

Deze componenten zijn ook gelijk, dus geldt

&= \dfrac{1}{4 \pi \epsilon_0} \int_0^{L/2} \dfrac{2lambda dx}{r^2} \, \cos \, \theta \hat{k}

waarin ons differentiaalelement dl in dit voorbeeld dx is, omdat we integreren langs een lijn van lading die op de x-as ligt. (De grenzen van de integratie zijn 0 tot \(\frac{L}{2}}), niet \(-\frac{L}{2}}) tot \(+\frac{L}{2}}), omdat we het netto veld hebben opgebouwd uit twee differentiële stukken lading \(dq\)). Als we over de hele lengte zouden integreren, zouden we een foutieve factor 2 krijgen.)

In principe is dit volledig. Maar om deze integraal te berekenen, moeten we alle variabelen elimineren die niet gegeven zijn. In dit geval veranderen zowel r als t als we naar buiten integreren naar het eind van de lineaire lading, dus dat zijn de variabelen die we weg moeten werken. We kunnen dat doen op dezelfde manier als we deden voor de twee puntladingen: door op te merken dat

en

Substitueren, krijgen we

&= \dfrac{1}{4 \pi \epsilon_0} {int_0^{L/2} \dfrac{2}lambda z}{(z^2 + x^2)^{3/2}} dx \hat{k} &= \dfrac{2 \lambda z}{4 \pi \epsilon_0} \left_0^{L/2} \hat{k}.

Wat vereenvoudigt tot

Belang

Merk opnieuw het gebruik van symmetrie om het probleem te vereenvoudigen. Dit is een zeer gebruikelijke strategie voor het berekenen van elektrische velden. De velden van niet-symmetrische ladingsverdelingen moeten worden behandeld met meervoudige integralen en moeten eventueel numeriek worden berekend door een computer.

Oefening

PageIndex{1})

Hoe zou de hierboven gebruikte strategie veranderen om het elektrisch veld te berekenen in een punt op een afstand \(z\) boven een uiteinde van het eindige lijnstuk?

Antwoord

We zullen niet langer gebruik kunnen maken van de symmetrie. In plaats daarvan moeten we elk van de twee componenten van het elektrisch veld met hun eigen integraal berekenen.

Voorbeeld (\PageIndex{2}\): Elektrisch veld van een oneindige ladingslijn

Vind het elektrisch veld op een afstand \(z) boven het middelpunt van een oneindige ladingslijn die een uniforme lineaire ladingsdichtheid draagt \(\lambda\).

Strategie

Dit is precies als het vorige voorbeeld, behalve dat de grenzen van de integratie \(-infty) tot \(+infty) zullen zijn.

Oplossing

Wederom heffen de horizontale componenten op, zodat we uitkomen op

waarbij ons differentiaallijnelement dl in dit voorbeeld dx is, omdat we integreren langs een lijn van lading die op de x-as ligt. Nogmaals,

&= \dfrac{z}{(z^2 + x^2)^{1/2}}. \eind{align*}

Substitueren, dan krijgen we

&= \dfrac{1}{4 \pi \epsilon_0} \int_{-\infty}^{\infty} \dfrac{lambda z}{(z^2 + x^2)^{3/2}}dx \hat{k}} &= \dfrac{1}{4 \pi \epsilon_0} \left_{-\infty}^{\infty} \, \hat{k}

wat vereenvoudigt tot

Belang

Onze strategie voor het werken met continue ladingsverdelingen geeft ook bruikbare resultaten voor ladingen met oneindige dimensie.

In het geval van een eindige ladingslijn zien we dat voor z^2 de L in de noemer overheerst, zodat vergelijking 5.12} vereenvoudigt tot

Als je je herinnert dat \lambda L = q) de totale lading op de draad is, dan hebben we de uitdrukking voor het veld van een puntlading, zoals verwacht.

In de limiet ²(L = q) krijgen we echter het veld van een oneindige rechte draad, dat is een rechte draad waarvan de lengte veel, veel groter is dan een van zijn andere afmetingen, en ook veel, veel groter dan de afstand waarop het veld moet worden berekend:

Een interessant artefact van deze oneindige limiet is dat we de gebruikelijke afhankelijkheid van r^2 die we gewend zijn, kwijt zijn. Dit wordt nog intrigerender in het geval van een oneindig vlak.

Voorbeeld \PageIndex{3A}\): Elektrisch veld door een ring van lading

Een ring heeft een uniforme ladingsdichtheid, met eenheden van coulomb per boogmeter. Bereken het elektrisch veld in een punt op de as die door het centrum van de ring gaat.

Strategie

We gebruiken dezelfde procedure als voor de geladen draad. Het verschil hier is dat de lading is verdeeld over een cirkel. We verdelen de cirkel in infinitesimale elementen in de vorm van bogen op de cirkel en gebruiken poolcoördinaten zoals in figuur

Een ring met straal R is afgebeeld in het x y vlak van een x y z coördinatenstelsel. De ring is gecentreerd op de oorsprong. Een klein segment van de ring is gearceerd. Het segment staat onder een hoek van theta met de x-as, maakt een hoek van d theta, en bevat een lading van d q gelijk aan lambda R d theta. Punt P ligt op de z-as, op een afstand van z boven het middelpunt van de ring. De afstand van het gearceerde segment tot het punt P is gelijk aan de vierkantswortel van R in het kwadraat plus het kwadraat.
Figuur (Pagina-index{3}): Het systeem en de variabele voor de berekening van het elektrisch veld ten gevolge van een ladingsring.

Oplossing

Het elektrisch veld voor een lijnlading wordt gegeven door de algemene uitdrukking

Een algemeen element van de boog tussen \theta en \theta + d\theta heeft lengte \(Rdtheta) en bevat dus een lading gelijk aan \lambda Rd\theta). Het element staat op een afstand van r = qrtz^2 + R^2 van P, de hoek is \cos \, \phi = \dfrac{z}{\sqrt{z^2+R^2}}) en dus is het elektrisch veld

&= \dfrac{1}{4\pi \epsilon_0} \dfrac{(z^2 + R^2)^{3/2}} \Wat{z} \int_0^{2\pi} d\theta \ &= \dfrac{1}{4\pi \epsilon_0} \dfrac{2}{(z^2 + R^2)^{3/2}} \Wat{z} &= \dfrac{1}{4}pi \epsilon_0} \dfrac{q_{tot}z}{(z^2 + R^2)^{3/2}} \Dat{z}.

Zoals gebruikelijk heeft de symmetrie dit probleem vereenvoudigd, in dit specifieke geval resulteert dit in een triviale integraal. Als we de limiet van z nemen, vinden we dat

zoals we verwachten.

Voorbeeld (\PageIndex{3B}\): Het veld van een schijf

Bepaal het elektrisch veld van een cirkelvormige dunne schijf met straal \(R\) en uniforme ladingsdichtheid op een afstand \(z\) boven het middelpunt van de schijf (figuur \(\PageIndex{4}})

Een schijf met straal R is afgebeeld in het x y-vlak van een x y z-coördinatensysteem. De schijf is gecentreerd op de oorsprong. Een ring, concentrisch met de schijf, met straal r priemgetal en breedte d r priemgetal is aangegeven en twee kleine segmenten aan tegenoverliggende zijden van de ring zijn gearceerd en gelabeld als hebbende lading d q. Het meetpunt ligt op de z-as, op een afstand van z boven het middelpunt van de schijf. De afstand van elk gearceerd segment tot het meetpunt is r. De elektrische veldbijdragen, d E, ten gevolge van de ladingen d q zijn weergegeven als pijlen in de richtingen van de bijbehorende r-vectoren. De d E vectoren staan onder een hoek van theta met de z-as.
Figuur (Pagina-index{4}): Een gelijkmatig geladen schijf. Net als in het voorbeeld van de lijnlading kan het veld boven het middelpunt van deze schijf worden berekend door gebruik te maken van de symmetrie van de ladingsverdeling.

Strategie

Het elektrisch veld voor een oppervlaktelading wordt gegeven door

Om oppervlakteladingsproblemen op te lossen, breken we het oppervlak op in symmetrische differentiële “strepen” die overeenkomen met de vorm van het oppervlak; hier gebruiken we ringen, zoals in de figuur is aangegeven. Opnieuw, door symmetrie, heffen de horizontale componenten op en is het veld volledig in de verticale richting. De verticale component van het elektrisch veld wordt verkregen door vermenigvuldiging met (\theta}), dus

Zoals voorheen moeten we de onbekende factoren in de integrand herschrijven in termen van de gegeven grootheden. In dit geval

(Let op de twee verschillende “r’s” hier; r’s is de afstand van de differentiaalring van lading tot het punt waar we het veld willen bepalen, terwijl r’s de afstand van het middelpunt van de schijf tot de differentiaalring van lading is). Ook hebben we de poolhoekintegraal al uitgevoerd door \(dA\) op te schrijven.

Oplossing

Substitueren we dit alles in, dan krijgen we

&= \dfrac{1}{4 \pi \epsilon_0} \int_0^R \dfrac{(2)sigma(r’ dr’)z}{(r’^2 + z^2)^{3/2}} \hat{k} &= \dfrac{1}{4 \pi \epsilon_0} links(\dfrac{1}{z} – \dfrac{1}{sqrt{R^2 + z^2}} rechts) \hat{k} \eind{align*}]

of, eenvoudiger,

Belang

Ook hier kan worden aangetoond (via een Taylor-expansie) dat wanneer z \gg R\), dit reduceert tot

wat de uitdrukking is voor een puntlading \(Q = \sigma \pi R^2}).

Oefening

PageIndex{3})

Hoe zou de bovenstaande limiet veranderen met een gelijkmatig geladen rechthoek in plaats van een schijf?

Antwoord

De puntlading wordt dan (Q = \sigma ab) waarbij \(a) en \(b) de zijden van de rechthoek zijn, maar verder identiek.

Als \(R) \rechthoekig \infty}), reduceert Vergelijking \ref{5.14} herleid tot het veld van een oneindig vlak, dat een vlak is waarvan de oppervlakte veel, veel groter is dan de dikte, en ook veel, veel groter dan de afstand waarop het veld moet worden berekend:

&= \dfrac{\sigma}{2 \epsilon_0} \hat{k}. {\label{5.15}

Merk op dat dit veld constant is. Dit verrassende resultaat is, alweer, een artefact van onze limiet, maar wel een die we in de toekomst nog vaak zullen gebruiken. Om te begrijpen waarom dit gebeurt, stel je voor dat je boven een oneindig vlak van constante lading staat. Ziet het vliegtuig er anders uit als je je hoogte varieert? Nee, je ziet het vliegtuig nog steeds naar oneindig gaan, hoe ver je er ook vanaf bent. Het is belangrijk op te merken dat vergelijking 5.15 is omdat we boven het vlak zijn. Als we eronder zouden zitten, zou het veld in de richting (- \dat{k}} wijzen.

Voorbeeld (\PageIndex{4}}): Het veld van twee oneindige vlakken

Ontdek overal het elektrisch veld als gevolg van twee oneindige vlakken met gelijke maar tegengestelde ladingsdichtheden (figuur \(\PageIndex{5})).

De figuur toont twee verticaal georiënteerde parallelle platen A en B gescheiden door een afstand d. Plaat A is positief geladen en B is negatief geladen. De elektrische veldlijnen zijn parallel tussen de platen en naar buiten gebogen aan de einden van de platen. Een lading q wordt verplaatst van A naar B. Het verrichte werk W is gelijk aan q maal V sub A B, en de elektrische veldsterkte E is gelijk aan V sub A B over d.
Figuur: Twee geladen oneindige vlakken. Let op de richting van het elektrisch veld.

Strategie

We kennen al het elektrisch veld van een enkel oneindig vlak, dus kunnen we het principe van superpositie gebruiken om het veld van twee te vinden.

Oplossing

Het elektrisch veld wijst weg van het positief geladen vlak en naar het negatief geladen vlak. Omdat de velden gelijk en tegengesteld zijn, betekent dit dat in het gebied buiten de twee vlakken, de elektrische velden elkaar opheffen tot nul. Maar in het gebied tussen de vlakken tellen de elektrische velden op, en krijgen we

voor het elektrisch veld. Dat komt omdat in de figuur het veld in de +x-richting wijst.

Betekenis

Systemen die benaderd kunnen worden als twee oneindige vlakken van dit soort bieden een nuttige manier om uniforme elektrische velden te maken.

Oefening

PageIndex{4})

Hoe zou het elektrisch veld eruit zien in een systeem met twee evenwijdige positief geladen vlakken met gelijke ladingsdichtheden?

Antwoord

Het elektrisch veld zou daartussen nul zijn, en verder overal een grootte hebben van (\dfrac{sigma}{epsilon_0}).

Bijdragers en toeschrijvingen

  • Samuel J. Ling (Truman State University), Jeff Sanny (Loyola Marymount University), en Bill Moebs met vele auteurs die een bijdrage hebben geleverd. Dit werk is gelicenseerd door OpenStax University Physics onder een Creative Commons Naamsvermelding Licentie (by 4.0).

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *