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23. 가우스 법칙 (Gauss 가우 법칙 ( ’ law) )

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Academic year: 2022

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(1)

23. 가우스 법칙 (Gauss 가우 법칙 ( ’ law) )

• Gauss’ Law: Motivation & Definition

Er dAr Φ = qencl

• Coulomb’s Law as a consequence of Gauss’ Law εo

• Charges on Conductors:

? – Where are they?

A li ti f G ’ L

• Applications of Gauss’ Law – Uniform Charged Sphere

Infinite Line of Charge – Infinite Line of Charge – Infinite Sheet of Charge

– Two infinite sheets of chargeTwo infinite sheets of charge

(2)

지난 시간에 … 지난 시간에 …

전기장 (Electric field)

2

4 o

1 r

q q

E F

o = πε

= E = E1 + E2 +L+ En

o o

d q p =

전기 쌍극자 (Electric dipole)

E p×

τ = U = −pE

dV k

Erρ Er = kσdS Er = kλdl

연속전하의 전기장

r r k

E = e2 r

k r

E = e2 r

k r

E = e2

(3)

Fundamental Law

of Electrostatics (정전기학)

Coulomb’s Law

Force between two point charges Force between two point charges

E q q

F q0 2 0

4 =

=

OR

r q

πεo 2 0 4

Gauss’ Law

Relationship between Electric Fields

and charges

q

r r

and charges

o

qencl

A d

E Φ = ε

r r

(4)

23-2 다발 (flux) 23 2. 다발 (flux)

다발 (flux)

Φ = (면에 수직인 속도성분)×(면의 넓이) Φ = (면에 수직인 속도성분)×(면의 넓이)

( v ) A = v r • A r

Φ ( v cos θ ) A v A

Φ cos θ

(5)

22-3. 전기장 다발 (Electric flux)

• Consider flux through two surfaces case 1

전기장 다발 ( )

Consider flux through two surfaces that “intercept different numbers of field lines”

E-field surface area E A Flux:

case 2 case 1 Er = Eoyˆ 2

w Eow2

Case 2 is smaller!

case 2 Er = Eoyˆ Eow2 cosθ θ

smaller!

w2

(6)

22-3. 전기장 다발 (Electric flux)전기장 다발 ( )

Gauss 폐 곡면 (Gaussian surface)

(7)

Electric Flux Φ E r d A

Electric Flux

•What does this new quantity mean?

Φ E d A

q y

• The integral is over a CLOSED SURFACE

• Since is a SCALAR product, the electric flux is a SCALAR quantity

• The integration vectorThe integration vector is normal to the surface and points OUT is normal to the surface and points OUT of the surface. is interpreted as the component of E which is NORMAL to the SURFACE

• Therefore, the electric flux through a closed surface is the sum of the normal components of the electric field all over the surface.

• The sign matters!!The sign matters!!

Pay attention to the direction of the normal component as it penetrates the surface… is it “out of” or “into” the surface?

“O t f” i “+” “i t ” i “ ”

“Out of” is “+” “into” is “-”

(8)

dS dS

질문

dS dS

1 2

A positive charge is contained inside a spherical shell.

How does the electric flux d

Ф

E through the surface

element dS change hen the charge is mo ed from position element dS change when the charge is moved from position 1 to position 2?

a) d

Ф

E increases

a) d

Ф

E increases

b) d

Ф

E decreases

c) d

Ф

E doesn’t change

(9)

dS dS

1 2

A positive charge is contained inside a spherical shell.

How does the flux

Ф

E through the entire surface change when the charge is moved from position 1 to position 2?

Ф

a)

Ф

E increases

b)

Ф

EE decreases

c)

Ф

E doesn’t change

(10)

질문

• Consider 2 spheres (of radius R and 2R) drawn around a single charge as shown.

– Which of the following statementsWhich of the following statements about the net electric flux through the 2 surfaces (Φ2R and ΦR) is true?

(a) ΦR< Φ2R (b) ΦR= Φ2R (c) ΦR> Φ2R

• Look at the lines going out through each circle -- each circle has the b f li

same number of lines.

• The electric field is different at the two surfaces, because E is

proportional to 1 / r 2, but the surface areas are also different. The surface area of a sphere is proportional to r 2.

surface area of a sphere is proportional to r .

• Since flux = , the r 2and 1/r 2terms will cancel, and the two circles have the same flux!

circles have the same flux!

(11)

질문

A cube is placed in a uniform electric field. Find the flux through the bottom g surface of the cube.

a) Ф

bottom

< 0

b) Ф = 0

b) Ф

bottom

= 0

c) Ф

bottom

> 0

(12)

Lecture 3, ACT 2

질문

Imagine a cube of side a positioned in a region of constant electric field as shown.g

Which of the following statements about the net electric flux ΦE through the

surface of this cube is true?

a

surface of this cube is true?

(a) ΦE = 0 (b) ΦE ∝ 2a2 (c) ΦE∝ 6a2

a

(a) ΦE 0 (b) ΦE ∝ 2a (c) E 6a

• The electric flux through the surface is defined by:g y

Φ E r d A

on the bottom face is negative. (dS is out; E is in)

is ZERO on the four sides that are parallel to the electric field.

ΦE d A

Er⋅ Ad

Er⋅ Ad

on the top face is positive. (dS is out; E is out)

• Therefore, the total flux through the cube is:

∫ ∫

Er⋅ Ad

g

(13)

보기문제 23-1

고른 전기장 E 속에 놓인 반지름 R 인 원통꼴의 가우스 곡면에서의 전기장 플럭스 Φ의 값?

(14)

보기문제 23-2

그림과 같은 정육면체의 왼쪽, 오른쪽, 위쪽 면에서의 전기장 플럭스? 단, 전기장은

E = ( 3.0 x) i + ( 4.0) j (N/C).

E ( 3.0 x) i ( 4.0) j (N/C).

1) 왼쪽 면

2) 오른쪽 면 2) 오른쪽 면

3) 위쪽 면

(15)

23-4. Gauss 법칙법칙

o

q

encl

A d

E Φ = ε

r r

encl o

Φ = q

ε

OR,

The net electric flux through any closed surface is encl

o

q

The net electric flux through any closed surface is proportional to the charge enclosed by that surface.

It is very useful in finding E

when the physical situation exhibits massive SYMMETRY.

(16)

23-5. Gauss 법칙과 Coulomb 법칙법칙과 법칙

q

encl

A d Φ ∫ E r r

o

q

encl

A d

E = ε

= Φ ∫

가우스 법칙에서 쿨롱 법칙 끌어내기 점 전하 q 가 원점에 있을 때

반지름 r 인 공 표면에서의 전기장?

구 대칭성 때문에 공표면 어디에서나 구 대칭성 때문에 공표면 어디에서나

전기장의 크기는 같고, 방향은 밖으로 나아 가는 반지름 방향

(17)

Gauss 폐곡면의 선택 Gauss 폐곡면의 선택

S1 Φ = =

2

1 S

S

C Er dAr Er dAr q k r r

ke q π = π e

= 2 4 2 4 k 1

S2 0

= 4πε ke

ε

0

=

Φ q

C

0

For any empirical surface, ΦC is the same.

i.e. ΦC is independent of the surface contour.

(18)

23-6 전하를 띤 고립된 도체전하를 띤 립된 체

고립된 도체에 들어 있는 잉여전하 (excess charge)는 도체의 표면에 퍼져 있게 된다

도체의 표면에 퍼져 있게 된다.

◂ 서로 밀어내는 정전기력

◂ 도체 속에서는 전기장이 Æ E = 0 (왜?)

E 0 E = 0

E = 0 E = 0

(19)

보기문제 23-4

속빈 쇠공: 속 반지름 R, 전기적으로 중성 점전하: - 5.0 μC, 중심에서 R/2인 곳

1) 쇠공의 안팎의 면에 쌓인 전하량?

2) 안팎의 면의 전하분포?

2) 안팎의 면의 전하분포?

1) 쇠공의 안쪽 면의 전하량:

쇠 속은 전기장이 0

⇒ 쇠 속의 가우스 면에서도 전기장이 0

⇒ 가우스면 전체의 플럭스도 0

⇒ 가우스면 속의 알속전하는 0

쇠공 안쪽 면에 5 0 C 전하 분포

⇒ 쇠공 안쪽 면에 +5.0 μC 전하 분포 2) 쇠공의 바깥 면의 전하량:

쇠공은 전기적으로 중성, 전하는 보존

⇒ 쇠공 바깥 면에 - 5.0 μC 전하 분포

▸ 전하분포는 공 안쪽은 고르지 않으나 바깥쪽은 고름

(20)

23-7 Gauss 법칙의 적용: 선전하 - 원통대칭 23 7 Gauss 법칙의 적용: 선전하 원통대칭

o

qencl

A d

E = ε

=

Φ

r r

(21)

23-8 Gauss 법칙의 적용: 면전하 - 원통대칭법칙의 적용 면전하 원통대칭

o

q

encl

A d

E = ε

=

Φ ∫ r r

Coulomb 법칙

o

2r d

E z

E σ R

( )

⎟⎟

⎜⎜

+

=

= +

=

2 2

0 2 2 32

2 1 4

R z

z r dr E z

E

o o z

ε σ

ε

(면부터의 거리에 무관하게 일정)

If RÆ infinite, (면부터의 거리에 무관하게 일정) σ

o

E ε σ

2

(22)

두 도체판

• Field outside must be zero

• Field outside must be zero.

Two ways to see:

E=0 σ+ -σ E=0

– Superposition +

+

+ -

- -

– Gaussian surface encloses zero charge

+ +

- A -

+ +

-

Field inside is NOT zero: -

+ -

+ -

-

Superposition

G i f l A

A +

+ -

-

Gaussian surface encloses non-zero charge

A

E

(23)

23-9 Gauss 법칙의 적용: 구 껍질 - 구대칭 23 9 Gauss 법칙의 적용: 구 껍질 구대칭

q

encl

A d

E = ε

=

Φ ∫ r r

ε

o

(S )

구 껍질 q

(S2) (S1)

구 껍질

(24)

구대칭 전하분포 구대칭 전하분

Charge density ρ : 34 πa3ρ = Q 3

4 3

a Q

= π ρ

4 aπ Q

(a) r >a

0 0 = ε

= ε

=

ΦCEr dAr qinc Q

Q

(a) r >a

0 0

0

4 2

= ε

π Q

E

r 2 2

4 0

1

r k Q r

E Q = e

= πε

for r > a

(a) r >a

(b) r <a

ε0

=

=

ΦCEr dAr qinc

1

3 0

4

1 dV π ρ

ε ρ

=

Q

3 0 4 r3π ε

= ρ

3Q 2 Q r3 Qr

r k E Q

(b) r <a

= π

ρ 3

4 3

a Q

3 0

4 2

a r E Q

r = ε

π 3 3

4 0 a

k Qr a

r

E Q = e

= πε

for r < a

(25)

Q Q

1 Q

Q k

E = =

for r > a

k Qr r

E Q

for r < a

2 2

4 0 k r

E r = e

= πε

3

3

4 0 k a

E a = e

= πε

(26)

23. SummarySu a y

Electric Flux

Φ ∫ ∫ E r d A

G 법칙

Er dAr Φ qencl

Φ

Gauss 법칙

o

qencl

A d

E Φ = ε

OR,

ε

o

Φ = q

encl S1

s

1

S2

참조

관련 문서

개인 특성에 따라 3개의 독립변수들이 재방문과 구전의도 에 미치는 영향력에 차이가 있는지를 검토하기 위해 전체 응 답자를 자기조절초점으로 분류하였다.이를 위해 먼저 Mo di f i e d