Prawo Gaussa dla elektryczności – prawo wiążące pole elektryczne z jego źródłem, czyli ładunkiem elektrycznym. Natężenie pola elektrycznego jest polem wektorowym i spełnia twierdzenie Gaussa-Ostrogradskiego: Strumień natężenia pola elektrycznego, przenikający przez dowolną powierzchnię zamkniętą w jednorodnym środowisku o bezwzględnej przenikalności elektrycznej jest równy stosunkowi całkowitego ładunku znajdującego się wewnątrz tej powierzchni do wartości tejże przenikalności.

Prawo Gaussa w próżni W ujęciu całkowym Strumień natężenia pola elektrycznego przenikający przez zamkniętą powierzchnię ograniczającą obszar o objętości jest wprost proporcjonalny do ładunku elektrycznego zawartego w tym obszarze (objętości):

przy czym: wektor jest wektorem powierzchni, współczynnikiem proporcjonalności jest przenikalność elektryczna próżni

W ujęciu różniczkowym Dywergencja natężenia pola elektrycznego równa jest ilorazowi gęstości ładunku i przenikalności elektrycznej próżni:

przy czym: – dywergencja natężenia pola elektrycznego, – gęstość ładunku, – przenikalność elektryczna w próżni równa

Prawo Gaussa w materii W materii pole elektryczne wywołuje przesunięcie ładunków elektrycznych, co skutkuje powstaniem ładunków zwanych ładunkami indukowanymi. Prawo Gaussa obowiązuje także w tej sytuacji, ale trzeba uwzględnić ładunki indukowane w ośrodku. Jest to podejście bardzo niewygodne w związku z czym uwzględnia się ten wkład za pomocą przenikalności elektrycznej materiału ośrodka:

przy czym: – ładunki swobodne objęte powierzchnią – ładunki indukowane w ośrodku objęte powierzchnią – względna przenikalność elektryczna ośrodka, – przenikalność elektryczna ośrodka (bezwzględna).

W ujęciu różniczkowym prawo Gaussa można teraz zapisać jako

w którym: – gęstość ładunków swobodnych.

Wkład ośrodka można też uwzględnić za pomocą indukcji elektrycznej związanej z natężeniem pola elektrycznego przez

Dla której prawo Gaussa brzmi: Strumień indukcji elektrycznej przenikający przez zamkniętą powierzchnię jest równy ładunkowi elektrycznemu zawartemu w objętości zamkniętej powierzchnią

lub w postaci różniczkowej

w którym: – dywergencja indukcji elektrycznej.

Konsekwencje prawa Gaussa Wzór: jest wyrazem faktu, że pole wektorowe jest polem źródłowym.

Dla ładunku punktowego pole ma symetrię sferyczną, dzięki czemu strumień pola w odległości można zapisać jako:

w którym jest powierzchnią kuli o promieniu

Z powyższego wynika:

Pole powierzchni kuli jest równe Stąd wynikają wzory na natężenie pola elektrycznego oraz siłę oddziaływania ładunku próbnego z ładunkiem punktowym:

Otrzymany wzór wyraża prawo Coulomba. Dodatkowym wnioskiem z powyższego równania jest to, że jeżeli w prawie Coulomba występuje wykładnik równy dokładnie 2 (co jest wyznaczane eksperymentalnie), to nasza przestrzeń ma dokładnie 3 wymiary. Jest to jedna z niewielu bezpośrednich metod badania „wymiarowości” naszej przestrzeni.

Prawo Gaussa zostało później ujęte w równaniach Maxwella.

Odpowiednik dla magnetyzmu Całkowity strumień indukcji magnetycznej przechodzący przez powierzchnię zamkniętą równa się zeru. Fakt ten wynika stąd, iż pole magnetyczne jest bezźródłowe – nie istnieją ładunki magnetyczne, dywergencja pola jest wszędzie równa zero.

Odpowiednik dla grawitacji Prawo Gaussa dotyczy także pól grawitacyjnych:

przy czym: – natężenie pola grawitacyjnego, – stała grawitacji.

Strumień natężenia pola przez powierzchnię zamkniętą równy jest całkowitej masie zamkniętej przez tę powierzchnię pomnożonej przez

Uwaga: Ta postać prawa Gaussa jest prawdziwa jedynie w teorii grawitacji Newtona. W ogólnej teorii względności już nawet w najprostszym przypadku jednorodnego pola przyspieszeń w zadanym obszarze (wektory przyspieszenia są w tym obszarze równoległe) zachodzi bowiem:

Zobacz też twierdzenie Ostrogradskiego-Gaussa twierdzenie Stokesa

Przypisy

Linki zewnętrzne Fizyka — prawo Gaussa, Khan Academy, kanał „KhanAcademyPoPolsku” na YouTube [dostęp 2025-10-27].

Kategoria:Elektryczność Kategoria:Magnetyzm Kategoria:Grawitacja Kategoria:Prawa elektromagnetyczne