Различия
Показаны различия между двумя версиями страницы.
| Предыдущая версия справа и слева Предыдущая версия Следующая версия | Предыдущая версия | ||
| electrodynamics:res2.27 [2019/10/02 05:38] – root | electrodynamics:res2.27 [2019/10/22 05:44] (текущий) – root | ||
|---|---|---|---|
| Строка 1: | Строка 1: | ||
| ==== а) Сфера заземлена. Заряд вне сферы.==== | ==== а) Сфера заземлена. Заряд вне сферы.==== | ||
| - | {{: | + | {{: |
| Если сфера заземлена, | Если сфера заземлена, | ||
| Как показано в | Как показано в | ||
| Строка 9: | Строка 9: | ||
| Если заряд $q$ расположен на расстоянии $\ell$ от центра сферы | Если заряд $q$ расположен на расстоянии $\ell$ от центра сферы | ||
| радиуса $a$, то изображением этого | радиуса $a$, то изображением этого | ||
| - | заряда будет заряд $q' | + | заряда будет заряд |
| + | $$ | ||
| + | q'=-\frac{qa}{\ell}, | ||
| + | $$ | ||
| который следует поместить на расстояние | который следует поместить на расстояние | ||
| - | $\ell' | + | $$ |
| + | \ell'=\frac{a^2}{\ell} | ||
| + | $$ | ||
| + | от центра сферы. Таким образом, | ||
| распределение потенциала и напряженности электрического поля вне сферы, создаваемое зарядом $q$ и | распределение потенциала и напряженности электрического поля вне сферы, создаваемое зарядом $q$ и | ||
| - | индуцированными зарядами на сфере, совпадает с распределением | + | индуцированными зарядами на сфере, совпадает с распределением |
| - | | + | потенциала и напряженности, |
| - | | + | зарядами $q$ и $q' |
| - | $$\varphi=\frac{q}{r}-\frac{a}{\ell}\frac{q}{r' | + | $$ |
| - | \qquad \mbox{при} \qquad R\geq a\,,$$ | + | \varphi=\frac{q}{r}-\frac{a}{\ell}\frac{q}{r' |
| - | + | \qquad \mbox{при} \qquad R\geq a\,, | |
| - | $$\vec{E}=\frac{q\vec{r}}{r^3}-q\frac{a}{\ell}\frac{\vec{r}' | + | $$ |
| + | $$ | ||
| + | \vec{E}=\frac{q\vec{r}}{r^3}-q\frac{a}{\ell}\frac{\vec{r}' | ||
| {r'^3} | {r'^3} | ||
| - | | + | \qquad \mbox{при} \qquad R>a, |
| - | | + | $$ |
| + | где $r$ и $r' | ||
| $q$ и $q'$ соответственно. Потенциал внутри сферы | $q$ и $q'$ соответственно. Потенциал внутри сферы | ||
| постоянен и равен потенциалу на сфере $\varphi(a)=0$. | постоянен и равен потенциалу на сфере $\varphi(a)=0$. | ||
| - | В полости и на внутренней поверхности сферы нет зарядов. | + | На внутренней поверхности сферы нет зарядов. |
| - | | + | Потенциал |
| - | На стенках | + | На стенках сферы |
| - | | + | Решение, |
| - | | + | это $\varphi=0$. По теореме единственности других решений быть |
| - | не может. Значит, | + | не может. Значит, |
| - | нулю электрического поля внутри сферы легко понять из следующих | + | $$\vec{E}=-\text{grad}\,\varphi=0 \hspace{10pt} \text{ |
| - | | + | $$ |
| - | же радиуса, | + | |
| - | | + | |
| - | | + | |
| - | так как $\div\vec{E}=0$. Но такая электронейтральная среда не будет | + | |
| - | | + | |
| - | | + | |
| - | | + | |
| - | | + | |
| - | | + | |
| - | Найдем | + | Найдем |
| | | ||
| | | ||
| - | | + | |
| - | E_{1R}\big|_{R=a}=4\pi\sigma$. Поскольку в нашем | + | $$ |
| - | с внутренней стороны сферы | + | E_{2R}\big|_{R=a}- |
| - | | + | E_{1R}\big|_{R=a}=4\pi\sigma. |
| - | $$\sigma=\frac{1}{4\pi}E_{2R}\bigg|_{R=a}\; | + | $$ |
| + | Поскольку в нашем | ||
| + | то | ||
| + | $$ | ||
| + | \sigma=\frac{1}{4\pi}E_{2R}\bigg|_{R=a}\; | ||
| + | $$ | ||
| - | Найдем напряженность электрического поля на поверхности | + | Найдём напряженность электрического поля на поверхности |
| - | | + | заземленной сферы. Заметим, |
| $$\vec{R}=\vec{r}+\vec{\ell}\;, | $$\vec{R}=\vec{r}+\vec{\ell}\;, | ||
| $$\vec{R}=\vec{r}' | $$\vec{R}=\vec{r}' | ||
| Строка 61: | Строка 67: | ||
| \Bigr)\vec{R}+\Bigl(\frac{R}{\ell | \Bigr)\vec{R}+\Bigl(\frac{R}{\ell | ||
| r' | r' | ||
| - | | + | \frac{\vec \ell}{r^3}\Bigr)\biggr]\; |
| | | ||
| | | ||
| Строка 70: | Строка 76: | ||
| | | ||
| | | ||
| - | Таким | + | |
| - | сферы, | + | Таким |
| + | сферы, | ||
| $$\vec{E}\big|_{R=a}=q\Bigl(\frac{1}{r^3}-\frac{R}{\ell r'^3} | $$\vec{E}\big|_{R=a}=q\Bigl(\frac{1}{r^3}-\frac{R}{\ell r'^3} | ||
| \Bigr)\vec{R}\; | \Bigr)\vec{R}\; | ||
| - | Выражая $r$ и $r'$ через координаты ($R\,, | + | Выражая $r$ и $r'$ через координаты ($R\,, |
| - | в сферической системе | + | в сферической системе |
| $$r=\bigl(R^2+\ell^2-2R\ell\cos\theta\bigr)^{1/ | $$r=\bigl(R^2+\ell^2-2R\ell\cos\theta\bigr)^{1/ | ||
| $$r' | $$r' | ||
| - | | + | \cos\theta\bigr)^{1/ |
| - | | + | находим |
| $$E_{2R}=-\frac{q(\ell^2-a^2)}{a(a^2+\ell^2-2a\ell\cos\theta)^{3/ | $$E_{2R}=-\frac{q(\ell^2-a^2)}{a(a^2+\ell^2-2a\ell\cos\theta)^{3/ | ||
| - | Тогда | + | Тогда |
| \[ | \[ | ||
| \sigma=-\frac{q(\ell^2-a^2)}{4\pi | \sigma=-\frac{q(\ell^2-a^2)}{4\pi | ||
| a(a^2+\ell^2-2a\ell\cos\theta)^{3/ | a(a^2+\ell^2-2a\ell\cos\theta)^{3/ | ||
| \] | \] | ||
| - | Найдем полный заряд на полусфере, | + | |
| - | \begin{wrapfigure}[6]{l}{5.0cm} | + | Найдем полный заряд на полусфере, |
| - | \vspace{-5pt} | + | {{: |
| - | \includegraphics[width=5.0cm]{RIS23.eps} | + | |
| - | \end{wrapfigure} | + | |
| Заряд на кольце | Заряд на кольце | ||
| | | ||
| $$dQ=\sigma\cdot 2\pi a^2\sin\theta\, | $$dQ=\sigma\cdot 2\pi a^2\sin\theta\, | ||
| - | | + | Тогда величина заряда на полусфере, |
| - | обращенной к заряду $q$, будет равна | + | обращенной к заряду $q$, будет равна |
| - | \[ | + | $$ |
| - | \begin{array}{rl} | + | Q_1=-2\pi a^2\int\limits_{0}^{\pi/ |
| - | Q_1&=-2\pi a^2\int\limits_{0}^{\pi/ | + | |
| \frac{q(\ell^2-a^2)\sin\theta\, | \frac{q(\ell^2-a^2)\sin\theta\, | ||
| - | a(a^2+\ell^2-2a\ell\cos\theta)^{3/ | + | a(a^2+\ell^2-2a\ell\cos\theta)^{3/ |
| - | | + | $$ |
| + | $$ | ||
| + | \frac{q(\ell^2-a^2)}{2\ell} | ||
| \biggl(\frac{1}{\sqrt{a^2+\ell^2}}-\frac{1}{\ell-a}\biggr)\, | \biggl(\frac{1}{\sqrt{a^2+\ell^2}}-\frac{1}{\ell-a}\biggr)\, | ||
| - | \end{array} | + | $$ |
| - | \] | + | |
| Таким же образом найдем заряд на противоположной полусфере: | Таким же образом найдем заряд на противоположной полусфере: | ||
| $$Q_2=\frac{q(\ell^2-a^2)}{2\ell}\biggl(\frac{1}{a+\ell}- | $$Q_2=\frac{q(\ell^2-a^2)}{2\ell}\biggl(\frac{1}{a+\ell}- | ||
| - | | + | \frac{1}{\sqrt{a^2+\ell^2}}\biggr)\, |
| - | | + | Суммарный заряд на сфере, как и следовало ожидать, |
| $$Q=Q_1+Q_2=-q\frac{a}{\ell}.$$ | $$Q=Q_1+Q_2=-q\frac{a}{\ell}.$$ | ||
| - | | + | То, что полный заряд на сфере равен $q'$, можно понять |
| и не интегрируя поверхностную плотность. Действительно, | и не интегрируя поверхностную плотность. Действительно, | ||
| | | ||
| Строка 121: | Строка 127: | ||
| | | ||
| - | б)~Заряд вне сферы. Сфера изолирована. | + | ==== б) Заряд вне сферы. Сфера изолирована. |
| Если сфера изолирована, | Если сфера изолирована, | ||
| - | поэтому для определения поля вне сферы нужно поместить внутри | + | поэтому для определения поля вне сферы нужно поместить внутри |
| - | | + | сферы еще один фиктивный заряд |
| - | | + | $q'' |
| - | | + | Это легко |
| - | \begin{wrapfigure}[7]{l}{5.8cm} | + | {{: |
| - | \vspace{-00pt} | + | |
| - | \includegraphics[width=5.6cm]{RIS24.eps} | + | |
| - | \end{wrapfigure} | + | |
| | | ||
| - | | + | напряженности электрического поля |
| - | Если взять поток вектора $\vec{E}$ | + | Если взять поток вектора $\vec{E}$ |
| - | | + | поверхность, |
| - | то он должен быть по теореме | + | то он должен быть по теореме |
| | | ||
| | | ||
| Строка 145: | Строка 148: | ||
| $$\oint(\vec{E}\, | $$\oint(\vec{E}\, | ||
| | | ||
| - | | + | |
| - | | + | |
| | | ||
| - | Заряд $q'' | + | Заряд $q'' |
| | | ||
| - | \[ | + | $$ |
| - | | + | \varphi(\vec{R})=\frac{q}{r}+\frac{q' |
| - | \varphi(\vec{R})=&\frac{q}{r}+\frac{q' | + | \frac{q' |
| - | \frac{q' | + | $$ |
| - | \vec{E}(\vec{R})=&\frac{q\vec{r}}{r^3}+\frac{q' | + | $$ |
| + | \vec{E}(\vec{R})=\frac{q\vec{r}}{r^3}+\frac{q' | ||
| {r' | {r' | ||
| - | \frac{q' | + | \frac{q' |
| - | \end{array} | + | $$ |
| - | \] | + | Внутри сферы потенциал постоянен и равен потенциалу на сфере |
| - | | + | $$ |
| - | $$\varphi(\vec{R})=\varphi(a)=\frac{q}{\ell} | + | \varphi(\vec{R})=\varphi(a)=\frac{q}{\ell} |
| - | \qquad \mbox{при} | + | \hspace{10pt} |
| - | а поле $\vec{E}=0$. Рассуждения такие же, как и для заземленной | + | $$ |
| - | | + | а поле $\vec{E}=0$. Рассуждения такие же, как и для заземленной |
| + | сферы. | ||
| - | Проводящая оболочка экранирует внешнее поле заряда $q$. | + | Проводящая оболочка экранирует внешнее поле заряда $q$. |
| - | | + | Распределение заряда по поверхности будет иметь вид: |
| $$\sigma=-\frac{q(\ell^2-a^2)}{4\pi a(a^2+\ell^2-2a\ell\cos\theta)^{3/ | $$\sigma=-\frac{q(\ell^2-a^2)}{4\pi a(a^2+\ell^2-2a\ell\cos\theta)^{3/ | ||
| | | ||
| Строка 173: | Строка 178: | ||
| \frac{a(\ell^2-a^2)}{(a^2+\ell^2-2a\ell\cos\theta)^{3/ | \frac{a(\ell^2-a^2)}{(a^2+\ell^2-2a\ell\cos\theta)^{3/ | ||
| - | | + | ==== в) Заряд внутри сферы. Сфера изолирована. |
| - | Заряд на сфере равен нулю, поскольку сфера была не заряжена. | + | Заряд на сфере равен нулю, поскольку сфера была не заряжена. |
| - | | + | Если заменить сферу сферическим |
| - | | + | толщины с внутренним |
| - | то поток вектора $\vec{E}$ через поверхность, | + | то поток вектора $\vec{E}$ через поверхность, |
| - | | + | слоя, равен нулю, так как поле в проводнике $\vec{E}=0$. Отсюда |
| | | ||
| - | | + | |
| | | ||
| | | ||
| Строка 192: | Строка 197: | ||
| | | ||
| - | | + | Чтобы индуцированный на внешней поверхности слоя |
| | | ||
| | | ||
| - | \begin{wrapfigure}[6]{l}{5.7cm} | + | {{: |
| - | \vspace{-15pt} | + | |
| - | \includegraphics[width=5.5cm]{RIS25.eps} | + | |
| - | \end{wrapfigure} | + | |
| | | ||
| | | ||
| | | ||
| $$\vec{E}(\vec{R})=\frac{q\vec{R}}{R^3} | $$\vec{E}(\vec{R})=\frac{q\vec{R}}{R^3} | ||
| - | | + | \qquad \mbox{при} \qquad R> a\,,$$ |
| $$\varphi(\vec{R})=\frac{q}{R} | $$\varphi(\vec{R})=\frac{q}{R} | ||
| - | | + | \qquad \mbox{при} \qquad R\geq a\,.$$ |
| | | ||
| Строка 214: | Строка 216: | ||
| $\Delta\varphi=0\; | $\Delta\varphi=0\; | ||
| | | ||
| - | | + | |
| во всей области вне сферы будет неверным. Действительно, | во всей области вне сферы будет неверным. Действительно, | ||
| | | ||
| Строка 224: | Строка 226: | ||
| Потенциал | Потенциал | ||
| $$\varphi(\vec{R})=\frac{q}{r}+\frac{q' | $$\varphi(\vec{R})=\frac{q}{r}+\frac{q' | ||
| - | \const | + | const |
| \qquad \mbox{при} \qquad R\leq a.$$ | \qquad \mbox{при} \qquad R\leq a.$$ | ||
| - | | + | Из условия непрерывности потенциала на поверхности сферы |
| - | | + | |
| | | ||
| - | | + | является изображением заряда |
| и обратно заряд $q\,$ является изображением заряда | и обратно заряд $q\,$ является изображением заряда | ||
| | | ||
| Строка 237: | Строка 239: | ||
| $$\vec{E}=\frac{q\vec{r}}{r^3}-q\frac{a}{\ell} | $$\vec{E}=\frac{q\vec{r}}{r^3}-q\frac{a}{\ell} | ||
| \frac{\vec{r}' | \frac{\vec{r}' | ||
| - | | + | \qquad \mbox{при} \qquad R<a.$$ |
| | | ||
| Строка 248: | Строка 250: | ||
| \biggl(\frac{1}{\sqrt{a^2+\ell^2}}-\frac{1}{a-\ell}\biggr), | \biggl(\frac{1}{\sqrt{a^2+\ell^2}}-\frac{1}{a-\ell}\biggr), | ||
| $$Q_2=\frac{q(a^2-\ell^2)}{2\ell}\biggl(\frac{1}{a+\ell}- | $$Q_2=\frac{q(a^2-\ell^2)}{2\ell}\biggl(\frac{1}{a+\ell}- | ||
| - | | + | \frac{1}{\sqrt{a^2+\ell^2}}\biggr).$$ |
| | | ||
| - | | + | |
| - | г)~Заряд внутри сферы. Сфера заземлена. | + | ==== г) Заряд внутри сферы. Сфера заземлена. |
| | | ||
| - | \begin{wrapfigure}[11]{l}{5.25cm} | + | {{: |
| - | \vspace{-15pt} | + | |
| - | \includegraphics[width=5.0cm]{RIS26.eps} | + | |
| - | \end{wrapfigure} | + | |
| сравняется с потенциалом | сравняется с потенциалом | ||
| - | земли $\varphi=0$ и заряд $q$ с внешней | + | земли $\varphi=0$ и заряд $q$ с внешней |
| - | поверхности сферы | + | поверхности сферы |
| | | ||
| - | | + | $$\varphi=0 \qquad\mbox{при} \qquad R\geq a,$$ |
| $$\vec{E}=0 \qquad\mbox{при} \qquad R>a.$$ | $$\vec{E}=0 \qquad\mbox{при} \qquad R>a.$$ | ||
| Строка 272: | Строка 271: | ||
| такими же, как для изолированной сферы. Потенциал | такими же, как для изолированной сферы. Потенциал | ||
| $$\varphi(\vec{R})=\frac{q}{r}+\frac{q' | $$\varphi(\vec{R})=\frac{q}{r}+\frac{q' | ||
| - | | + | \qquad \mbox{при} \qquad R\leq a.$$ |
| | | ||
| | | ||
| - | |||