В реальных задачах, с которыми можно встретиться в процессе изучения физики или в технической и технологической практике, упрощенная картина с дискретным набором точечных зарядов обычно не реализуется. Всякая молекула состоит из атомов с положительно заряженными ядрами, окруженными отрицательными зарядами - электронами. В результате общий заряд системы описывается не совокупностью точечных зарядов, а функцией р(т) (зависимость от времени в электростатике не рассматривается) распределения зарядовой плотности. Эта функция определяет заряд в бесконечно малом объеме, окружающем рассматриваемую точку
С помощью р(г) общий заряд системы определяется как
Рис. 5.20.
Функция распределения зарядовой плотности является очень важной характеристикой системы зарядов, потому что, зная эту функцию, можно рассчитывать свойства зарядовых систем.
Рассмотрим поле, создаваемое произвольной системой непрерывно распределенных по заряженному телу электрических зарядов, описываемое функцией р(г) (рис. 5.20).
Поставим перед собой задачу рассчитать поле этой системы в некоторой точке А, на достаточно большом расстоянии (г >> г") от выбранной системы зарядов. Направим ось системы координат Oz с началом отсчета в точке О так, чтобы точка А оказалась лежащей на этой оси. Электрический потенциал в точке А по принципу суперпозиции полей определится суммирова-
нием вкладов от всех зарядов dq = p(r)dF" = = р(х", у", z") dV, создающих поле, т.е. (в СИ)
где г - модуль радиус-вектора г точки А, в которой рассчитывается потенциал; г" - аргумент функции
распределения заряда; R = |л| = г - г", т.е. расстояние от элемента объема d V, в котором сосредоточен заряд dq до точки А. Интегрирование производится по объему (или координатам г ") во всей области V, содержащей заряды dq. Обозначим 0 угол между векторами
г и г" и учтем, что по теореме косинусов R = (г 2 + + г" 2 - 2/r"cos 0) 1/2 . Тогда интеграл (5.54) перепишется в виде
5.1. Электростатическое поле 369
Величина каждого из интегралов-слагаемых в (5.56) зависит от особенностей распределения зарядов в системе (т.е. от р (г")). Будучи вычисленными они представляются числами ко, к и к 2 , соответственно, а зависимость фл от г может быть представлена суммой
Величины к„ называют электрическими моментами системы (первого, второго, третьего и так далее порядков, если разложение продолжается). Проанализируем слагаемые в скобках (5.57).
Величина к 0 определяется интегралом
и представляет собой суммарный заряд системы, сконцентрированный в начале координат (точка О на рис. 5.20). Его называют монопольным моментом (или просто монополем). Естественно, для электрически нейтральной системы к 0 = 0.
Величины к и к 2 , в отличие от к 0 , зависят от формы распределения заряда. Коэффициент к представляет собой усредненный электрический дипольный момент системы зарядов
Так как величина r"cos 0 - это координата элемента d V на оси Oz, то получается, что к х характеризует относительное смещение положительного и отрицательного зарядов p(r")dV" вдоль этой оси. Действительно, если представить себе систему, состоящую из двух разноименных зарядов ±q в точках (0, 0, z ) и (0, 0, - z) с z = -/, где / - расстояние
между зарядами, то величина r"cosQ = ±-/ может быть вынесена
за знак интеграла (5.59). Тогда оставшееся выражение Jp(r")dF" станет равным заряду q, а весь коэффициент к ь равный lq=p, составит электрический дипольный момент, ориентированный вдоль направления г (введенный в подразделе 5.1.5).
Коэффициент к 2 представляет собой выражение
и носит название квадрупольного момента . В СИ квадрупольный момент измеряется в единицах Кл м . Для сферически симметричного зарядового распределения к 2 = 0. Для «сплюснутого» по оси Oz распределения положительного заряда к 2 0, а для отрицательного к 2 > 0. Если распределение заряда вытянуто вдоль оси Oz, то соотношение знаков зарядов для к 2 будет обратным.
Важным является то обстоятельство, что на основании выражения (5.57) потенциал электростатического поля системы распределенных зарядов по-разному спадает при увеличении расстояния г до точки наблюдения: чем выше порядок электрического момента, тем быстрее спадает с расстоянием потенциал, создаваемого им поля. Даже нейтральные системы (атомы, молекулы) создают вокруг себя электрическое поле, посредством которого эти системы взаимодействуют между собой. Соответственно, чем выше порядок электрического момента, тем ниже энергия взаимодействия заряда с полем; например, взаимодействие диполей между собой (диполь-дипольное взаимодействие) заметно слабее взаимодействия точечных зарядов (монополей) с кулоновским потенциалом и т.д.
В калибровке Кулона рассчитаны потенциалы поля произвольного распределения зарядов и токов. Показано, что векторный потенциал определяется не только значениями плотности тока в запаздывающие моменты времени, но и предысторией изменения плотности заряда на временном интервале, ограниченном запаздывающим и текущим моментами. Получены различные представления потенциалов Лиенара – Вихерта в калибровке Кулона. Они применены к случаю равномерно и прямолинейно движущегося точечного заряда.
Александр Николаевич Фурс, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Республика Беларусь
доктор физико-математических наук, доцент; профессор кафедры теоретической физики и астрофизики физического факультета
1. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теория поля. М., 1973.
2. Джексон Дж. Классическая электродинамика. М., 1965.
3. Бредов М. М., Румянцев В. В., Топтыгин И. Н. Классическая электродинамика. М., 1985.
4. Гайтлер В. Квантовая теория излучения. М., 1956.
5. Гинзбург В. Л. Теоретическая физика и астрофизика. Дополнительные главы. М., 1980.
6. Wundt B. J., Jentschura U. D. Sources, potentials and fields in Lorenz and Coulomb gauge: Cancellation of instantaneous interactions for moving point charges // Ann. Phys. 2012. Vol. 327, № 4. P. 1217–1230.
7. Ахиезер А. И., Берестецкий В. Б. Квантовая электродинамика. М., 1969.
Ключевые слова
Калибровочная инвариантность, калибровки Лоренца и Кулона, запаздывающие потенциалы, потенциалы Лиенара – Вихерта
Пусть система состоит из неподвижных точечных зарядов q 1 , q 2 , … Согласно принципу суперпозиции в любой точке поля напряженность Е=Е 1 + Е 2 +., где Е 1 - напряженность поля заряда q 1 и т.д. Тогда можно записать, используя формулу (1.8):
где т.е. принцип суперпозиции оказывается справедливым и для потенциала. Таким образом, потенциал системы неподвижных точечных зарядов
где r i - расстояние от точечного заряда q, до интересующей нас точки поля. Здесь также произвольная постоянная опущена. Это полностью соответствует тому факту, что всякая реальная система зарядов ограничена в пространстве, поэтому ее потенциал на бесконечности можно принять равным нулю.
Если заряды, образующие систему, распределены непрерывно, то, как обычно, мы считаем, что каждый элементарный объем dV содержит "точечный" заряд сdV, где с - объемная плотность заряда в месте нахождения объема dV. С учетом этого формуле (1.10) можно придать иной вид
где интегрирование проводится или по всему пространству, или по той его части, которая содержит заряды. Если заряды расположены только на поверхности S, то
где у - поверхностная плотность заряда; dS - элемент поверхности S. Аналогичное выражение будет и в том случае, когда заряды распределены линейно.
Итак, зная распределение зарядов (дискретное, непрерывное), мы можем в принципе найти потенциал поля любой системы.
Электрическое поле, как известно, полностью описывается векторной функцией Е (r). Зная ее, мы можем найти силу, действующую на интересующий нас заряд в любой точке поля, вычислить работу сил поля при каком угодно перемещении заряда и другое. А что дает введение потенциала? Прежде всего, оказывается, зная потенциал ц (r) данного электрического поля, можно достаточно просто восстановить и само поле Е (r). Рассмотрим этот вопрос более подробно.
Связь между ц и Е можно установить с помощью уравнения (1.8). Пусть перемещение dl параллельно оси X, тогда dl =Ei dx, где i - орт оси X; dx - приращение координаты х. В этом случае
где - проекция вектора E на орт i (а не на перемещение dl). Сопоставив последнее выражение с формулой (1.8), получим
где символ частной производной подчеркивает, что функцию ц (х, у, z) надо дифференцировать только по х, считая у и z при этом постоянными.
Рассуждая аналогично, можно получить соответствующие выражения для проекций Е у и Е z . А определив Е x , Е y , Е z легко найти и сам вектор Е
Величина, стоящая в скобках, есть не что иное, как градиент потенциала ц (grad ц). Т.е. напряженность Е поля равна со знаком минус градиенту потенциала. Это и есть та формула, с помощью которой можно восстановить поле Е, зная функцию ц (r).
Введем понятие эквипотенциальной поверхности - поверхности, во всех точках которой потенциал ц имеет одно и то же значение. Убедимся в том, что вектор Е направлен в каждой точке по нормали к эквипотенциальной поверхности в сторону уменьшения потенциалац. В самом деле, из формулы (1.13) следует, что проекция вектора Е на любое направление, касательное к эквипотенциальной поверхности в данной точке, равна нулю. А это значит, что вектор Е нормален к данной поверхности. Далее, возьмем перемещение dxпо нормали к поверхности в сторону уменьшения ц, тогда 5ц<0 и согласно (1.13) E x >0, т.е. вектор Е направлен в сторону уменьшения ц, или в сторону, противоположную вектору grad ц.
Эквипотенциальные поверхности наиболее целесообразно проводить так, чтобы разность потенциалов для двух соседних поверхностей была бы одинаковой. Тогда по густоте эквипотенциальных поверхностей можно наглядно судить о значении напряженности поля в разных точках. Там, где эти поверхности расположены гуще ("круче потенциальный рельеф"), там напряженность поля больше.
Столь же интересно и не менее важно поле диполя, возникающее при других обстоятельствах. Пусть у нас есть тело со сложным распределением заряда, скажем, как у молекулы воды (см. фиг. 6.2), а нас интересует только поле вдали от него. Мы покажем, что можно получить сравнительно простое выражение для полей, пригодное для расстояний, много больших, чем размеры тела.
Мы можем смотреть на это тело, как на скопление точечных зарядов в некоторой ограниченной области (фиг. 6.7). (Позже, если понадобится, мы заменим на .) Пускай заряд удален от начала координат, выбранного где-то внутри группы зарядов, на расстояние . Чему равен потенциал в точке , расположенной где-то на отлете, на расстоянии , много большем, чем самое большое из ? Потенциал всего нашего скопления выражается формулой
, (6.21)
где - расстояние от до заряда (длина вектора ). Если расстояние от зарядов до (до точки наблюдения) чрезвычайно велико, то каждое из можно принять за . Каждый член в сумме станет равным , и можно будет вынести из-под знака суммы. Получится простой результат
, (6.22)
где - суммарный заряд тела. Таким образом, мы убедились, что из точек, достаточно удаленных от скопления зарядов, оно кажется просто точечным зарядом. Этот результат в общем не очень удивителен.
Фигура 6.7. Вычисление потенциала в точке , сильно удаленной от группы зарядов.
Но что, если положительных и отрицательных зарядов в группе окажется поровну? Суммарный заряд тогда будет равен нулю. Это не такой уж редкий случай; мы знаем, что большинство тел нейтрально. Нейтральна молекула воды, но заряды в ней размещаются отнюдь не в одной точке, так что, приблизившись вплотную, мы должны будем заметить какие-то признаки того, что заряды разделены. Для потенциала произвольного распределения зарядов в нейтральном теле мы нуждаемся в приближении, лучшем, чем даваемое формулой (6.22). Уравнение (6.21) по-прежнему годится, но полагать больше нельзя. Для нужно выражение поточнее. В хорошем приближении можно считать отличающимся от (если точка сильно удалена) на проекцию вектора на вектор (см. фиг. 6.7, но вы должны только представлять себе, что намного дальше, чем показано). Иными словами, если - единичный вектор в направлении , то за следующее приближение к нужно принять
Но нам ведь нужно не , а ; оно в нашем приближении (с учетом ) равно
(6.24)
Подставив это в (6.21), мы увидим, что потенциал равен
(6.25)
Многоточие указывает члены высшего порядка по , которыми мы пренебрегли. Как и те члены, которые мы выписали, это последующие члены разложения в ряд Тэйлора в окрестности по степеням .
Первый член в (6.25) мы уже получили; в нейтральных телах он пропадает. Второй член, как и у диполя, зависит от . Действительно, если мы определим
как величину, описывающую распределения зарядов, то второй член потенциала (6.25) обратится в
т. е. как раз в дипольный потенциал. Величина называется дипольным моментом распределения. Это обобщение нашего прежнего определения; оно сводится к нему в частном случае точечных зарядов.
В итоге мы выяснили, что достаточно далеко от любого набора зарядов потенциал оказывается дипольным, лишь бы этот набор был в целом нейтральным. Он убывает, как , и меняется, как , а величина его зависит от дипольного момента распределения зарядов. Именно по этой причине поля диполей и важны; сами же по себе пары точечных зарядов встречаются крайне редко.
У молекулы воды, например, дипольный момент довольно велик. Электрическое поле, создаваемое этим моментом, ответственно за некоторые важные свойства воды. А у многих молекул, скажем у , дипольный момент исчезает благодаря их симметрии. Для таких молекул разложение нужно проводить еще точнее, до следующих членов потенциала, убывающих как и называемых квадрупольным потенциалом. Эти случаи мы рассмотрим позже.
Столь же интересно и не менее важно поле диполя, возникающее при других обстоятельствах. Пусть у нас есть тело со сложным распределением заряда, скажем, как у молекулы.воды (см. фиг. 6.2), а нас интересует только поле вдали от него. Мы покажем, что можно получить сравнительно простое выражение для полей, пригодное для расстояний, много больших, чем размеры тела.
Мы можем смотреть на это тело, как на скопление точечных зарядов q ¡ в некоторой ограниченной области (фиг. 6.7). (Позже, если понадобится, мы q ¡ заменим на ρdV
.)
Пускай заряд q ¡ удален от начала координат, выбранного где-то внутри группы зарядов, на расстояние d ¡ . Чему равен потенциал в точке Р,
расположенной где-то на отлете, на расстоянии R, много большем, чем самое большое из d ¡ ? Потенциал всего нашего скопления выражается формулой
где r ¡ — расстояние от Р
до заряда q ¡
(длина вектора R-d ¡). Если расстояние от зарядов до Р
(до точки наблюдения) чрезвычайно велико, то каждое из r ¡ можно принять за R
.
Каждый член в сумме станет равным q ¡
/R
,
и 1/R
можно будет вынести из-под знака суммы. Получится простой результат
где Q — суммарный заряд тела. Таким образом, мы убедились, что из точек, достаточно удаленных от скопления зарядов, оно кажется просто точечным зарядом. Этот результат в общем не очень удивителен.
Но что, если положительных и отрицательных зарядов в группе окажется поровну? Суммарный заряд Q
тогда будет равен нулю. Это не такой уж редкий случай; мы знаем, что большинство тел нейтрально. Нейтральна молекула воды, но заряды в ней размещаются отнюдь не в одной точке, так что, приблизившись вплотную, мы должны будем заметить какие-то признаки того, что заряды разделены. Для потенциала произвольного распределения зарядов в нейтральном теле мы нуждаемся в приближении, лучшем, чем даваемое формулой (6.22). Уравнение (6.21) по-прежнему годится, но полагать r ¡ =
R
больше нельзя. Для r ¡
нужно выражение поточнее. В хорошем приближении r ¡
можно считать отличающимся от R
(если точка Р
сильно удалена) на проекцию вектора d на вектор R (см. фиг. 6.7, но вы должны только представлять себе, что Р
намного дальше, чем показано). Иными словами, если е r
— единичный вектор в направлении R, то за следующее приближение к r ¡
нужно принять
Но нам ведь нужно не r
¡
а 1/r
¡
; оно в нашем приближении (с учетом d¡«R) равно
Подставив это в (6.21), мы увидим, что потенциал равен
Многоточие указывает члены высшего порядка по d / R , которыми мы пренебрегли. Как и те члены, которые мы выписали, это последующие члены разложения 1/ r ¡ в ряд Тэйлора в окрестности 1/R по степеням d ¡ / R .
Первый член в (6.25) мы уже получили; в нейтральных телах он пропадает. Второй член, как и у диполя, зависит от 1/R 2 . Действительно, если мы определим
как величину, описывающую распределения зарядов, то второй член потенциала (6.25) обратится в
т. е. как раз в диполъный потенциал. Величина р называется диполъным моментом распределения. Это обобщение нашего прежнего определения; оно сводится к нему в частном случав точечных зарядов.
В итоге мы выяснили, что достаточно далеко от любого набора зарядов потенциал оказывается дипольным, лишь бы этот набор был в целом нейтральным. Он убывает, как 1/ R 3 , и меняется, как cos θ, а величина его зависит от дипольного момента распределения зарядов. Именно по этой причине поля диполей и важны; сами же по себе пары точечных зарядов встречаются крайне редко.
У молекулы воды, например, дипольный момент довольно велик. Электрическое поле, создаваемое этим моментом, ответственно за некоторые важные свойства воды. А у многих молекул, скажем у СО 2 , дипольный момент исчезает благодаря их симметрии. Для таких молекул разложение нужно проводить еще точнее, до следующих членов потенциала, убывающих как 1/ R 3 и называемых квадрупольным потенциалом. Эти случаи мы рассмотрим позже.
