Различия
Показаны различия между двумя версиями страницы.
| Следующая версия | Предыдущая версия | ||
| electrodynamics:res1.28 [2019/09/13 10:03] – создано root | electrodynamics:res1.28 [2020/09/19 18:27] (текущий) – root | ||
|---|---|---|---|
| Строка 1: | Строка 1: | ||
| + | 1.28. Найти силу и вращательный | ||
| + | момент, | ||
| + | поле точечного заряда $q$. | ||
| + | |||
| + | ----- | ||
| + | |||
| {{: | {{: | ||
| Сила, действующая на диполь в поле | Сила, действующая на диполь в поле | ||
| точечного заряда $q$, | точечного заряда $q$, | ||
| - | | + | является суммой сил, действующих на заряды диполя со стороны |
| - | | + | заряда $q$: |
| \begin{equation} | \begin{equation} | ||
| - | \vec{F}=\vec{F_1}+\vec{F_2}=Q(\vec{E_2}-\vec{E_1}), | + | (1) \hspace{10pt} |
| \end{equation} | \end{equation} | ||
| - | где $\vec{E_1}$ -- напряженность | + | где $\vec{E_1}$ |
| - | | + | создаваемая |
| - | ($-Q$); $\vec{E_2}$ -- в точке нахождения положи- | + | ($-Q$); $\vec{E_2}$ |
| - | \begin{wrapfigure}[6]{l}{4cm} | + | |
| - | \vspace{-0.5cm} \hspace{0.5cm} | + | |
| - | \includegraphics[width=3.0cm]{ris12.eps} | + | |
| - | \end{wrapfigure} | + | |
| - | тельного заряда диполя. Если расстояние между зарядами диполя | + | |
| мало по сравнению с расстоянием, | мало по сравнению с расстоянием, | ||
| заряда, | заряда, | ||
| оставить в нем два первых отличных от нуля члена | оставить в нем два первых отличных от нуля члена | ||
| - | $$\vec{E_2}=\vec{E}(\vec{R}+\vec{\ell})=$$ $$=\vec{E}(\vec{R})+ | + | $$ |
| - | \ell_x\frac{\partial\vec{E}}{\partial x}\;+\; | + | \vec{E_2}=\vec{E}\Bigl(\vec{R}+\vec{\ell}\Bigr)\approx$$ |
| - | \ell_y\frac{\partial\vec{E}}{\partial y}\;+\; | + | $$\vec{E}(\vec{R})+ |
| - | \ell_z\frac{\partial\vec{E}}{\partial z}\approx | + | \ell_x\frac{\partial\vec{E}}{\partial x}\;+\; |
| - | \vec{E_1}\; | + | \ell_y\frac{\partial\vec{E}}{\partial y}\;+\; |
| - | | + | \ell_z\frac{\partial\vec{E}}{\partial z} =$$ |
| - | | + | $$ |
| - | | + | \vec{E_1}\; |
| - | \vec{k}\, | + | $$ |
| - | | + | где $(\vec{\ell}\, |
| - | | + | $\vec{\ell}$ |
| - | выражение для силы, действующей на диполь | + | {\partial x}+\vec{j}\frac{\partial}{\partial y}+ |
| - | со стороны точечного заряда: | + | \vec{k}\, |
| + | Подставим $\vec{E_2}$ в уравнение (1) и учитывая, | ||
| + | что $\vec{P}=Q\vec{\ell}$, | ||
| + | выражение для силы, действующей на диполь | ||
| + | со стороны точечного заряда: | ||
| \begin{equation} | \begin{equation} | ||
| - | \vec{F}=(\vec{P}\vec{\nabla})\frac{q}{R^3}\vec{R}= | + | (2) \hspace{10pt} |
| - | | + | q\, |
| - | P_y\frac{\partial}{\partial y}\;+\; | + | P_y\frac{\partial}{\partial y}\;+\; |
| - | P_z\frac{\partial}{\partial z}\bigg)\, | + | P_z\frac{\partial}{\partial z}\bigg)\, |
| \end{equation} | \end{equation} | ||
| - | Так как | + | Так как |
| $$P_x\frac{\partial}{\partial x}\biggl(\frac{\vec{R}} | $$P_x\frac{\partial}{\partial x}\biggl(\frac{\vec{R}} | ||
| - | {R^3}\biggr)=P_x\biggl(\frac{1}{R^3}\frac{\partial\vec{R}} | + | {R^3}\biggr)=P_x\biggl(\frac{1}{R^3}\frac{\partial\vec{R}} |
| - | | + | {\partial x}+\vec{R}\frac{\partial}{\partial x}\Bigl( |
| - | | + | \frac{1}{R^3}\Bigr)\biggr)= |
| P_x\biggl(\frac{\vec{i}}{R^3}-\frac{3\vec{R}}{R^5}x\biggr)\;, | P_x\biggl(\frac{\vec{i}}{R^3}-\frac{3\vec{R}}{R^5}x\biggr)\;, | ||
| - | то аналогично | + | то аналогично |
| $$P_y\frac{\partial}{\partial y}\biggl(\frac{\vec{R}} | $$P_y\frac{\partial}{\partial y}\biggl(\frac{\vec{R}} | ||
| - | {R^3}\biggr)= | + | {R^3}\biggr)= |
| - | | + | P_y\biggl(\frac{\vec{j}}{R^3}-\frac{3\vec{R}}{R^5}y\biggr)\;, |
| - | | + | P_z\frac{\partial}{\partial z}\biggl(\frac{\vec{R}} |
| - | | + | {R^3}\biggr)= |
| - | | + | P_z\biggl(\frac{\vec{k}}{R^3}-\frac{3\vec{R}}{R^5}z\biggr)\;, |
| - | | + | где $\vec{i}$, $\vec{j}$, $\vec{k}$ |
| - | | + | направлениях соответственно $X$, $Y$, $Z$. Подставляя вычисленные |
| - | | + | соотношения в уравнение (2), получаем |
| + | <WRAP center round box 60%> | ||
| \begin{equation} | \begin{equation} | ||
| - | \vec{F}=q\biggl(\frac{\vec{P}}{R^3}- | + | (3) \hspace{10pt} |
| - | | + | \frac{3(\vec{P}\, |
| \end{equation} | \end{equation} | ||
| - | Сила, действующая на диполь в поле точечного заряда, | + | </ |
| - | | + | |
| - | | + | Сила, действующая на диполь в поле точечного заряда, |
| - | | + | по абсолютной величине и противоположна по направлению силе, |
| - | определяемой радиус-вектором $\vec{R}$ | + | действующей на заряд в поле диполя. |
| - | на больших расстояниях, | + | Поэтому формулу (3) можно получить и из предыдущей [[res1.27|задачи 1.27]] по полю диполя: |
| - | $$\vec{E}_\text{дип}=-\frac{\vec{P}}{R^3}+ | + | $$ |
| - | | + | \vec{E}_\text{дип}=-\frac{\vec{P}}{R^3}+ |
| + | \frac{3(\vec{P}\, | ||
| + | $$ | ||
| + | |||
| + | Момент сил, действующий на диполь во внешнем поле $\vec{E}$, | ||
| + | равен $\vec{N}=[\vec{P}\times\vec{E}]$. Подставляя в эту | ||
| + | точечного | ||
| + | <WRAP center round box 60%> | ||
| + | $$ | ||
| + | \vec{N}=q\frac{[\vec{P}\times\vec{R}]}{R^3}, | ||
| + | $$ | ||
| - | | + | </WRAP> |
| - | | + | где $\vec{R}$ |
| - | | + | точечного заряда $q$ в точку, где находится диполь. |
| - | $$\vec{N}=q\frac{[\vec{P}\times\vec{R}]}{R^3}, | + | |
| - | | + | |
| - | | + | |
| + | С другой стороны момент можно подсчитать и непосредственно, | ||
| + | $$ | ||
| + | \vec{N}=\sum \limits _{i}[\vec{r}_{i}\times\vec{F_{i}}], | ||
| + | $$ | ||
| + | где $\vec{r}_{i}$ --- радиус векторы приложенных сил рассмотрим относительно некоторой точки на оси соединяющей заряды диполя --- $\vec r_1 = \vec b, \vec r_2 = \vec a+\vec b$, тогда: | ||
| + | $$ | ||
| + | \vec{N}=[\vec{b}\times\vec{F}_{-e}]+[(\vec{a}+\vec{b})\times\vec{F}_{+e}]=\frac{-eq}{R^{3}}[\vec{b}\times\vec{R}]+\frac{eq}{|\vec{R}+\vec{a}|^{3}}[(\vec{a}+\vec{b})\times(\vec{R}+\vec{a})]= | ||
| + | $$ | ||
| + | $$ | ||
| + | \frac{-eq}{R^{3}}[\vec{b}\times\vec{R}]+\frac{eq}{|\vec{R}+\vec{a}|^{3}}[(\vec{a}+\vec{b})\times\vec{R}]\approx | ||
| + | $$ | ||
| + | $$ | ||
| + | \frac{eq}{R^{3}}\left(-[\vec{b}\times\vec{R}]+[(\vec{a}+\vec{b})\times\vec{R}]\right)=\frac{eq}{R^{3}}[\vec{a}\times\vec{R}]=\frac{q}{R^{3}}[\vec{P}\times\vec{R}]. | ||
| + | $$ | ||