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本文讨论的是关于电场的高斯定律。关于其他场的类似定律,请参见磁场的高斯定律和重力的高斯定律。关于与这些定律相关的奥斯特罗格拉德斯基-高斯定理,请参见散度定理。 请勿将其与高斯法则(Gause's law)混淆。
在物理学中(特别是电磁学),高斯定律(又称高斯通量定理,或有时称为高斯定理)是麦克斯韦方程组之一。它是散度定理的一个应用,将电荷分布与由此产生的电场联系起来。
在积分形式下,高斯定律表述为:电场通过任意封闭曲面的通量与该曲面所包围的电荷成正比,而不论电荷如何分布。尽管仅凭此定律不足以确定包围任意电荷分布的表面上的电场,但在具有对称性导致电场均匀分布的情况下,这是可能的。在没有这种对称性的情况下,可以使用高斯定律的微分形式,其表述为电场的散度与电荷的局部密度成正比。
该定律最早由约瑟夫-路易·拉格朗日于 1773 年[1][2]提出,后由卡尔·弗里德里希·高斯于 1835 年在椭球引力的背景下提出。[3] 它是麦克斯韦方程组之一,构成经典电动力学的基础。[注 1] 高斯定律可以用于推导库仑定律,[4] 反之亦然。
在积分形式下,高斯定律表述为:电场通过任意封闭曲面的通量与该曲面所包围的电荷成正比,而不论电荷如何分布。尽管仅凭此定律不足以确定包围任意电荷分布的表面上的电场,但在对称性要求电场均匀的情况下,这是可能的。在不存在这种对称性的情况下,可以使用高斯定律的微分形式,其表述为电场的散度与电荷的局部密度成正比。
该定律最早由约瑟夫-路易·拉格朗日于 1773 年[1][2]提出,随后在 1835 年由卡尔·弗里德里希·高斯[3]提出,两者都是在椭球引力的背景下提出的。它是麦克斯韦方程组之一,构成经典电动力学的基础。[注 1] 高斯定律可以用于推导库仑定律,[4] 反之亦然。
用语言描述,高斯定律表述为:
任意假设的封闭曲面的净电通量等于该封闭曲面内所包围的净电荷除以
高斯定律在数学上与物理学其他领域中的多条定律有密切的相似性,例如磁学中的高斯定律和重力中的高斯定律。事实上,任何反平方定律都可以用与高斯定律类似的方式表述:例如,高斯定律本质上等价于库仑定律,而重力的高斯定律本质上等价于牛顿的万有引力定律,它们都是反平方定律。
该定律可以使用向量微积分以积分形式和微分形式表示;两者是等价的,因为它们通过散度定理(也称为高斯定理)相关联。这些形式还可以通过两种方式表达:一种是电场
高斯定律可以使用电场
高斯定律可以表示为:[6]
在弯曲时空中,电磁场通过封闭曲面的通量表示为
其中,
由于通量定义为电场的积分,因此高斯定律的这种表达方式称为积分形式。
在涉及已知电位的导体的问题中,导体外部的电位通过求解拉普拉斯方程获得,可以采用解析或数值方法。然后,电场计算为电位的负梯度。高斯定律使得找到电荷分布成为可能:导体中任一区域的电荷可以通过积分电场得出,从而找到通过一个小盒子的通量,该盒子的边垂直于导体表面,并且电场垂直于表面且在导体内部为零。
逆问题是已知电荷分布并需要计算电场,这个问题要困难得多。给定表面的总通量对电场信息提供很少的线索,通量可以以任意复杂的模式进出表面。
一个例外是问题中存在某种对称性,这使得电场以均匀的方式通过表面。此时,如果已知总通量,就可以在每个点推导出电场。常见的对称性示例包括:柱对称性、平面对称性和球对称性。有关利用这些对称性来计算电场的示例,请参见 “高斯面” 条目。
根据散度定理,高斯定律也可以写成微分形式:
积分形式和微分形式在数学上是等价的,根据散度定理。以下是更具体的论证。
证明概述
高斯定律的积分形式为:
在最简单的教科书案例中产生的电荷通常被归类为 “自由电荷”——例如,静电中的转移电荷,或电容器极板上的电荷。相比之下,“束缚电荷” 仅在电介质(可极化材料)的情境中出现。(所有材料在一定程度上都是可极化的。)当这些材料置于外部电场中时,电子仍然束缚于各自的原子,但会响应电场发生微小位移,导致电子在原子的一侧比另一侧更多。所有这些微观位移加起来形成一个宏观的净电荷分布,这就是 “束缚电荷”。
尽管在微观层面上所有电荷本质上是相同的,但出于实际原因,人们通常希望将束缚电荷与自由电荷区分开来。因此,更为基础的高斯定律(基于电场
这种高斯定律的表述表示总电荷形式:
高斯定律的微分形式,仅涉及自由电荷,表述为:
证明:高斯定律中自由电荷表述与总电荷表述的等价性
在此证明中,我们将展示以下方程:
我们引入极化密度
在均匀、各向同性、非色散的线性材料中,
严格来说,仅从库仑定律无法推导出高斯定律,因为库仑定律仅适用于单个静电点电荷产生的电场。然而,如果假设电场遵循叠加原理,则可以从库仑定律证明高斯定律。叠加原理表述为:总电场是由每个粒子产生的电场的矢量和(如果电荷在空间中均匀分布,则为积分)。
证明概述
库仑定律指出,静止点电荷产生的电场为:
利用库仑定律中的表达式,我们通过对空间中每个点
由于库仑定律仅适用于静止电荷,因此仅根据此推导无法预期高斯定律适用于运动电荷。事实上,高斯定律确实适用于运动电荷,因此在这一点上,高斯定律比库仑定律更具普适性。
证明(不使用狄拉克 δ 函数)
令
对于所有
因此,由位于闭合曲面之外的电荷密度产生的电通量为零。
现在考虑
令
右侧为一个带电球产生的电通量,因此:
严格来说,库仑定律无法仅从高斯定律中推导出来,因为高斯定律没有提供关于
在高斯定律的积分形式中,将
1. Duhem, Pierre (1891). "4". Leçons sur l'électricité et le magnétisme [《电学与磁学教程》](法文),第 1 卷,巴黎:Gauthier-Villars 出版社,页 22–23。指出拉格朗日比高斯更早提出该定律,之后也有其他人发现了 “高斯定律”。
2. Lagrange, Joseph-Louis (1869) [1776]. Serret, Joseph-Alfred; Darboux, Jean-Gaston (编). Sur l'attraction des sphéroïdes elliptiques[《论椭球体的引力》],Œuvres de Lagrange(法文),Gauthier-Villars 出版社,页 619。
3. Gauss, Carl Friedrich (1877). Theoria attractionis corporum sphaeroidicorum ellipticorum homogeneorum methodo nova tractata [《用新方法处理椭圆形均匀球体的吸引理论》]。Schering, Ernst Christian Julius 和 Brendel, Martin(编)。Carl Friedrich Gauss Werke(拉丁文和德文),第 5 卷,第 2 版,Dieterichschen Universitätsdruckerei 出版社(W.F. Kaestner),页 2–22。高斯提到牛顿在《自然哲学的数学原理》命题 XCI 中关于求解球体在沿其轴线任意点产生的力。
4. Halliday, David 和 Resnick, Robert (1970). Fundamentals of Physics,John Wiley & Sons 出版社,页 452–453。
5. Serway, Raymond A. (1996). Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics(第 4 版),页 687。
6. Grant, I. S. 和 Phillips, W. R. (2008). Electromagnetism,曼彻斯特物理学丛书(第 2 版),John Wiley & Sons 出版社,ISBN 978-0-471-92712-9。
7. Matthews, Paul (1998). Vector Calculus,Springer 出版社,ISBN 3-540-76180-2。
8. Fedosin, Sergey G. (2019). "On the Covariant Representation of Integral Equations of the Electromagnetic Field". Progress in Electromagnetics Research C,第 96 期:109–122。arXiv:1911.11138。Bibcode:2019arXiv191111138F。doi:10.2528/PIERC19062902。S2CID 208095922。
9. 参见例如:Griffiths, David J. (2013). Introduction to Electrodynamics(第 4 版),Prentice Hall 出版社,页 50;或 Jackson, John David (1999). Classical Electrodynamics(第 3 版),John Wiley & Sons 出版社,页 35。