点電荷が閉曲面の内側にある場合のガウスの法則

[点電荷 Q が閉曲面 S の内側にある(電場と曲面が1回だけ交わる)場合]

曲面上の微小領域 d S i を考え,その位置ベクトルを r i ,単位法線ベクトルを n( r i ) とする. d S i における電場ベクトル E( r i ) と n( r i ) のなす角を α i とすると,2つのベクトルの内積は以下のようになる.

E( r i )⋅n( r i )= | E( r i ) || n( r i ) |cos αi

E( r i )⋅n( r i ) =| E( r i ) |cos αi = Q 4π ε 0   cos αi r i 2

ここで, r i は点電荷から微小領域までの距離である.

次に,点電荷 Q からみた d S i の立体角 d Ω i について考える.

微小領域 d S i を点電荷を中心とする半径 r i の球面上に射影したときの面積を d S i ′ とすると, d S i ′ =cosαi d S i となる.また, d S i ′ :d Ω i = r i 2 :1 より d S i ′ = r i 2  d Ω i である.これらを使うと,

E( r i )⋅n( r i ) d S i = Q 4π ε 0   cosαi r i 2  d S i

E( r i )⋅n( r i ) d S i = Q 4π ε 0 d S i ′ r i 2 = Q 4π ε 0  d Ω i

この式で i について和を取り,分割数が大きい極限で S 上の面積分に置き換えると,

∮ S E ( r )⋅n( r ) dS= Q 4π ε 0   ∮ dΩ = Q 4π ε 0 4π = Q ε 0

が得られる.

よって,この場合も(1)式が成り立つことが確かめられた.


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学生スタッフ作成

2024年3月11日