Applicazioni del Teorema di Gauss

annuncio pubblicitario
Applicazioni del Teorema di Gauss
Simone Alghisi
Liceo Scientifico Luzzago
Ottobre 2011
Simone Alghisi (Liceo Scientifico Luzzago)
Applicazioni del Teorema di Gauss
Ottobre 2011
1/8
Definizione.
~ e una superficie A immersa in tale campo,
Dato un campo elettrico E
~ attraverso la superficie A la
definiamo flusso del campo elettrico E
quantità scalare
~ =E
~ ·A
~ = EA cos ϕ ,
ΦA E
~ e A.
~
dove ϕ è l’angolo compreso tra i vettori E
Osservazione.
~ è definito nel modo seguente: esso è un vettore
Il vettore area A
perpendicolare alla superficie considerata e ha modulo pari all’area
della superficie stessa.
Simone Alghisi (Liceo Scientifico Luzzago)
Applicazioni del Teorema di Gauss
Ottobre 2011
2/8
Definizione.
~ e una superficie A immersa in tale campo,
Dato un campo elettrico E
~ attraverso la superficie A la
definiamo flusso del campo elettrico E
quantità scalare
~ =E
~ ·A
~ = EA cos ϕ ,
ΦA E
~ e A.
~
dove ϕ è l’angolo compreso tra i vettori E
Osservazione.
~ è definito nel modo seguente: esso è un vettore
Il vettore area A
perpendicolare alla superficie considerata e ha modulo pari all’area
della superficie stessa.
Simone Alghisi (Liceo Scientifico Luzzago)
Applicazioni del Teorema di Gauss
Ottobre 2011
2/8
Definizione.
~ e una superficie A immersa in tale campo,
Dato un campo elettrico E
~ attraverso la superficie A la
definiamo flusso del campo elettrico E
quantità scalare
~ =E
~ ·A
~ = EA cos ϕ ,
ΦA E
~ e A.
~
dove ϕ è l’angolo compreso tra i vettori E
Osservazione.
~ è definito nel modo seguente: esso è un vettore
Il vettore area A
perpendicolare alla superficie considerata e ha modulo pari all’area
della superficie stessa.
Simone Alghisi (Liceo Scientifico Luzzago)
Applicazioni del Teorema di Gauss
Ottobre 2011
2/8
Teorema. (di Gauss)
Il flusso del campo elettrico attraverso una superficie chiusa è uguale
al rapporto tra la somma delle cariche elettriche racchiuse da tale
superficie e la costante dielettrica nel vuoto ε0 , cioè
n
P
Q
~ = int =
ΦA E
ε0
Qi
i=1
ε0
.
Ricordiamo che una superficie chiusa che racchiude almeno una
carica elettrica Q è detta superficie gaussiana.
Simone Alghisi (Liceo Scientifico Luzzago)
Applicazioni del Teorema di Gauss
Ottobre 2011
3/8
Teorema. (di Gauss)
Il flusso del campo elettrico attraverso una superficie chiusa è uguale
al rapporto tra la somma delle cariche elettriche racchiuse da tale
superficie e la costante dielettrica nel vuoto ε0 , cioè
n
P
Q
~ = int =
ΦA E
ε0
Qi
i=1
ε0
.
Ricordiamo che una superficie chiusa che racchiude almeno una
carica elettrica Q è detta superficie gaussiana.
Simone Alghisi (Liceo Scientifico Luzzago)
Applicazioni del Teorema di Gauss
Ottobre 2011
3/8
Osservazione.
Il Teorema di Gauss è utile per il calcolo dei campi elettrici di
distribuzioni di cariche con particolari simmetrie. É sufficiente trovare il
tipo di simmetria e la corrispondente superficie gaussiana attraverso la
~
quale calcolare il flusso del campo elettrico E.
Simone Alghisi (Liceo Scientifico Luzzago)
Applicazioni del Teorema di Gauss
Ottobre 2011
4/8
Esercizio.
Determinare il campo elettrico generato da una carica puntiforme Q.
Soluzione.
La simmetria dello spazio è sferica. Si sceglie come superficie
gaussiana una sfera S centrata nella carica Q. Suddividendo la
superficie della sfera S in tante piccole aree S1 , S2 , . . . , Sn e per ogni
superficie si calcola il relativo flusso, si ottiene
n
X
~
Si = E(4πr2 ) .
ΦS E = ES1 + ES2 + · · · + ESn = E ·
i=1
~ = Q/ε0 , quindi
D’altra parte ΦS E
E(4πr2 ) =
Simone Alghisi (Liceo Scientifico Luzzago)
Q
Q
⇒ E=
.
ε0
4πε0 r2
Applicazioni del Teorema di Gauss
Ottobre 2011
5/8
Esercizio.
Determinare il campo elettrico generato da una carica puntiforme Q.
Soluzione.
La simmetria dello spazio è sferica. Si sceglie come superficie
gaussiana una sfera S centrata nella carica Q. Suddividendo la
superficie della sfera S in tante piccole aree S1 , S2 , . . . , Sn e per ogni
superficie si calcola il relativo flusso, si ottiene
n
X
~
Si = E(4πr2 ) .
ΦS E = ES1 + ES2 + · · · + ESn = E ·
i=1
~ = Q/ε0 , quindi
D’altra parte ΦS E
E(4πr2 ) =
Simone Alghisi (Liceo Scientifico Luzzago)
Q
Q
⇒ E=
.
ε0
4πε0 r2
Applicazioni del Teorema di Gauss
Ottobre 2011
5/8
Esempio.
Determinare il campo elettrico generato da una lastra infinita
uniformemente carica.
Soluzione.
Consideriamo come superficie gaussiana un cilindro C con asse di
~ è
simmetria perpendicolare al piano. Il campo elettrico E
perpendicolare al piano di densità di carica (sperficiale) σ. Il flusso
sarà
~ = ΦB E
~ + ΦB E
~ + ΦS
~ = ES + ES + 0 = 2ES .
ΦC E
E
1
2
lat
D’altra parte
Q
~ = int = σS .
ΦC E
ε0
ε0
Uguagliando i due membri si ha
E=
Simone Alghisi (Liceo Scientifico Luzzago)
σ
.
2ε0
Applicazioni del Teorema di Gauss
Ottobre 2011
6/8
Esempio.
Determinare il campo elettrico generato da una lastra infinita
uniformemente carica.
Soluzione.
Consideriamo come superficie gaussiana un cilindro C con asse di
~ è
simmetria perpendicolare al piano. Il campo elettrico E
perpendicolare al piano di densità di carica (sperficiale) σ. Il flusso
sarà
~ = ΦB E
~ + ΦB E
~ + ΦS
~ = ES + ES + 0 = 2ES .
ΦC E
E
1
2
lat
D’altra parte
Q
~ = int = σS .
ΦC E
ε0
ε0
Uguagliando i due membri si ha
E=
Simone Alghisi (Liceo Scientifico Luzzago)
σ
.
2ε0
Applicazioni del Teorema di Gauss
Ottobre 2011
6/8
Esempio.
Determinare il campo elettrico generato da una sfera S carica vuota
all’interno.
Soluzione.
La simmetria presente è sferica. Poichè all’interno non sono presenti
cariche, il campo elettrico sarà nullo dentro. Sulla superficie della sfera
avremo
~ = 4πr2 E = Qint ⇒ E = Q .
ΦS E
ε0
4πε0 r2
Simone Alghisi (Liceo Scientifico Luzzago)
Applicazioni del Teorema di Gauss
Ottobre 2011
7/8
Esempio.
Determinare il campo elettrico generato da una sfera S carica vuota
all’interno.
Soluzione.
La simmetria presente è sferica. Poichè all’interno non sono presenti
cariche, il campo elettrico sarà nullo dentro. Sulla superficie della sfera
avremo
~ = 4πr2 E = Qint ⇒ E = Q .
ΦS E
ε0
4πε0 r2
Simone Alghisi (Liceo Scientifico Luzzago)
Applicazioni del Teorema di Gauss
Ottobre 2011
7/8
Esempio.
Determinare il campo elettrico di una sfera piena di cariche di raggio R.
Soluzione.
La superficie gaussiana è una superficie sferica concentrica di raggio
r. Indichiamo con ρ la densità volumetrica di carica, cioè
ρ=
Si ha
Q
Q
= 4 3.
V
3 πR
~ = E · 4πr2 = Q ⇒ E = Q ,
ΦS E
ε0
4πε0 r2
ρ 4 πr3
E= 3 2 =
4πε0 r
Simone Alghisi (Liceo Scientifico Luzzago)
Q
4
πR3
3
· 43 πr3
4πε0 r2
=
Applicazioni del Teorema di Gauss
Q
r.
4πε0 R3
Ottobre 2011
8/8
Esempio.
Determinare il campo elettrico di una sfera piena di cariche di raggio R.
Soluzione.
La superficie gaussiana è una superficie sferica concentrica di raggio
r. Indichiamo con ρ la densità volumetrica di carica, cioè
ρ=
Si ha
Q
Q
= 4 3.
V
3 πR
~ = E · 4πr2 = Q ⇒ E = Q ,
ΦS E
ε0
4πε0 r2
ρ 4 πr3
E= 3 2 =
4πε0 r
Simone Alghisi (Liceo Scientifico Luzzago)
Q
4
πR3
3
· 43 πr3
4πε0 r2
=
Applicazioni del Teorema di Gauss
Q
r.
4πε0 R3
Ottobre 2011
8/8
Scarica