点電荷が球の中心にある場合のガウスの法則

[閉曲面 S を半径 R の球面とし,その中心に点電荷 Q がある場合]

点電荷 Q の位置を原点に取ると,クーロンの法則から球面上の位置 r における電場ベクトル E( r ) は,

E( r )= Q 4π ε 0 e r R 2

と表される. ここで, e r =( sinθcosφ, sinθsinφ, cosθ) は3次元極座標表示における動径方向の単位ベクトルである. n を球面上の単位法線ベクトルとすると, n = e r であることから,

E( r )ndS= Q 4π ε 0 e r R 2 e r dS

E( r )ndS = Q 4π ε 0 1 R 2 dS

この結果を,(1)式の左辺に用いると,

S E ( r ) n dS= Q 4π ε 0 R 2 S dS

右辺の積分は半径 R の球面の表面積であるから, S dS=4π R 2 .したがって,

S E( r )ndS = Q 4π ε 0 R 2 4π R 2 = Q ε 0


よって,(1)式が成り立つことが分かる.

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学生スタッフ作成

2024年3月11日