Как изменится зависимость е(r) напряженности электрического поля от расстояния для трех областей (i

  • 69
Как изменится зависимость е(r) напряженности электрического поля от расстояния для трех областей (i, ii, iii), используя теорему остроградского- гаусса? Заряды равномерно распределены на двух концентрических сферах с радиусами r и 2r и поверхностными плотностями p1 и p2 (с плотностями p1=-2p и p2=p). Как вычислить напряженность е в точке, находящейся на расстоянии r от центра, и в каком направлении указать вектор е? Принять p=0,1мккл/м2 и r=3r. Как построить график данной зависимости?
Myshka
31
Давайте рассмотрим каждую область по очереди (i, ii, iii) и применим теорему остроградского-гаусса для вычисления зависимости е(r) напряженности электрического поля от расстояния.

(i) В области, где расстояние от центра до точки равно \(r\), применим теорему остроградского-гаусса к сфере с радиусом \(r\):

\[
\oint \mathbf{E} \cdot \mathbf{dA} = \frac{Q_{\text{внутр}}}{\varepsilon_0}
\]

Здесь \(\mathbf{E}\) - напряженность электрического поля, \(\mathbf{dA}\) - элемент площадки, \(Q_{\text{внутр}}\) - суммарный заряд, заключенный внутри сферы, \(\varepsilon_0\) - электрическая постоянная. Поскольку заряд равномерно распределен на сфере, то \(Q_{\text{внутр}} = 4\pi r^2 p_1\), где \(p_1\) - плотность заряда.

Так как радиус сферы \(r\) дан, мы можем найти \(Q_{\text{внутр}}\):

\(Q_{\text{внутр}} = 4\pi \cdot (3r)^2 \cdot p_1 = 36\pi r^2 p_1\)

Теперь мы можем оценить поток вектора электрического поля через сферу:

\(\oint \mathbf{E} \cdot \mathbf{dA} = E \oint dA = E \cdot 4\pi r^2\), где \(E\) - напряженность электрического поля.

Применяя теорему остроградского-гаусса, получим:

\(E \cdot 4\pi r^2 = \frac{36\pi r^2 p_1}{\varepsilon_0}\)

Решая это уравнение относительно \(E\), найдем значение напряженности электрического поля в области (i).

(ii) В области, где расстояние от центра до точки равно \(2r\), применим теорему остроградского-гаусса к сфере с радиусом \(2r\). Аналогично, получим:

\(\oint \mathbf{E} \cdot \mathbf{dA} = \frac{Q_{\text{внутр}}}{\varepsilon_0}\)

\(Q_{\text{внутр}} = 4\pi \cdot (3r)^2 \cdot p_2 = 36\pi r^2 p_2\)

\(\oint \mathbf{E} \cdot \mathbf{dA} = E \cdot 4\pi (2r)^2\)

\(E \cdot 4\pi (2r)^2 = \frac{36\pi r^2 p_2}{\varepsilon_0}\)

(iii) В области, где расстояние от центра до точки находится между \(r\) и \(2r\), тут необходимо поделить сферу на две части: сферу радиусом \(2r\) и сферическую поверхность радиусом \(r\), от которой мы уже рассмотрели случай (i).

Поток через сферу радиусом \(2r\) рассмотрен в случае (ii), поэтому остается рассмотреть только поток через сферическую поверхность радиусом \(r\).

Аналогично тому, как мы делали в случае (i), в уравнении для потока можно заменить \(Q_{\text{внутр}}\) на \(36\pi r^2 p_1\). Тогда мы получим:

\(E \cdot 4\pi r^2 = \frac{36\pi r^2 p_1}{\varepsilon_0}\)

Теперь у нас есть выражения для напряженности электрического поля в каждой из трех областей.

Что касается направления вектора \(E\), мы можем воспользоваться правилом дамбаровского правого винта. В случае сферы, дамбаровским правым винтом считается такая конструкция, если бы вы закрутили винт вокруг оси расстояния от центра электрического поля и смотрели бы в сторону противоположную указанной оси, то направление винта привело бы к направлению вектора напряженности электрического поля.

Теперь рассмотрим построение графика данной зависимости. Мы можем построить график значения напряженности электрического поля в зависимости от расстояния \(r\). На оси \(x\) отложим расстояние \(r\), а на оси \(y\) - значение напряженности электрического поля \(E\). Таким образом, полученный график покажет, как зависит \(E\) от \(r\) в каждой из трех областей.