Решение
Решение
Q2
Q1
r R1 1
r2
r3
R2 III II I
E
n
E
n
36
Точки, в которых требуется найти напряжённости
электрического поля, лежат в трёх областях (см. рис.1):
область I ( r1<R1), область II (R1< r2<R2), область III (r3>R2).
1. Для определения напряжённости Е1 в I области,
проведём сферическую поверхность S1 радиусом r1 и восполь-
зуемся теоремой Гаусса. Так как внутри области I зарядов
нет, то получим
1
0 n
S
E dS (1)
где En – нормальная составляющая напряжённости электри-
ческого поля.
Из соображения симметрии нормальная составляю-
щая En должна быть равна самой напряжённости и постоянная
для всех точек сферы, т.е. En =E1=const. Поэтому _______её можно
вынести за знак интеграла:
1
1 0
S
E dS .
Так как dS 0 , то Е1=0, т.е. напряжённость электрического
поля внутри первой сферы равна нулю.
2. В области II проведём сферическую поверхность
радиусом r2. Так как внутри этой поверхности находится
заряд Q1, то для неё, согласно теореме Гаусса, можно записать
равенство
2
n 1 0
S
E dS Q .
Так как En =E2=const, то из условий симметрии следует
2
2 1 0
S
Е dS Q , или 2 2 1 0 Е S Q ,
откуда
2 1 0 2 Е Q S .
Подставив сюда выражение для площади сферы, получим
2
2 1 0 2 Е Q 4 r . (3)
37
3. В области III проведём сферическую поверхность
радиусом r3 . Эта поверхность охватывает суммарный заряд
Q1+Q2. Cледовательно для неё теорема Гаусса имеет вид
3
1 2 0 ( ) n
S
Е dS Q Q .
Так как En =E3=const, то из условий симметрии следует
2
3 1 2 0 3 Е (Q Q ) 4 r . (4)
Выразив все величины в системе СИ и произведя вычисле-
ния, получим
2 Е 1,11кВ / м , 3 Е 200В / м .
4. Построим график Е(r). В области I (r1<R1) напряжён-
ность Е = 0. В области II (R1<r1<R2) напряжённость Е2(r)
изменяется по закону 1/r2. В точке r=R1 напряжённость
2
2 1 1 0 1 Е (R ) Q (4 R ) 2500В/ м.
В точке r=R2 (r стремится к R2 слева)
2
2 2 1 0 2 Е (R ) Q (4 R ) 900В/м.
В области III (r>R2) Е3(r) изменяется по закону 1/r2,
причём в точке r=R2 (r стремится к R2 cправа)
2
3 2 1 2 0 2 Е (R ) (Q Q ) (4 R ) 450В/ м.
Таким образом, функция Е(r) в точках r=R1 и r=R2 терпит
разрыв. График зависимости Е(r) представлен на рис.2.
R1 R2 r
E,В/м
2500
900
450
0
I
II
III
Рис.2
38
Пример 6. По тонкой нити, изогнутой по дуге окруж-
ности, равномерно распределен заряд с линейной плотностью
=10 нКл/м. Определить напряженность Е и потенциал
электрического поля, создаваемого таким распределенным
зарядом в точке, совпадающей с центром кривизны дуги.
Длина l нити составляет 1/3 длины окружности и равна 15 см.
Выберем оси координат так, чтобы начало координат
совпало с центром кривизны дуги, а ось Oy была бы
симметрично расположена
относительно концов дуги.
На нити выделим элемент
длины dl. Заряд dQ= dl,
находящийся на выделен-
ном участке, можно считать
точечным.
Определим напряжен-
ность электрического поля
в точке О. Для этого найдем
сначала напряженность dE
поля,создаваемого зарядом
dQ:
где r –радиус-вектор, направленный от элемента dl к точке,
в которой вычисляется напряженность.
Выразим вектор dE
через проекции dEx и dEy на оси
координат:
3
0
,
4
d dlr
r
39
dE idEx jdEy
,
где i
и j
– единичные векторы направлений (орты).
Напряженность Е найдем интегрированием. Интегриро-
вание ведется вдоль дуги длиной l.
В силу симметрии 0 x
l
dE . Тогда y
l
E j dE
, (1)
где 2
0 0
cos cos cos
y 4 4
dE dE Rd d
R R
,
так как r=R=const, dl Rd .
Подставим y dE в выражение (1) и, приняв во внимание
симметричное расположение дуги относительно оси Оу,
пределы интегрирования возьмем от 0 до /3, а результат
удвоим:
Выразив радиус R через длину l нити (3l=2R), получим
(2)
Из этой формулы видно, что напряженность поля по
направлению совпадает с осью Оу.
Найдем потенциал электрического поля в точке О.Сначала
найдем потенциал d, поля создаваемого точечным зарядом
dQ в точке О:
d = dl /(40 r).
Заменим r на R и проведем интегрирование:
. x y
l l l
d i d j d
π 3
0 0 0
2τ cos d τ 3/2.
4πε 2πε
E j j
R R
0
τ 3 .
6 ε
E j
l
.
4π
d τ
4π
τ
0 0 0
l
R
l l
R
40
Так как l = 2R/3, то
= /(60). (3)
Произведя вычисления по формулам (2) и (3), получим
E 2,18кВ / м, 188В.
Пример 7. На тонком стержне длиной l равномерно
распределен заряд с
линейной плотностью =10
нКл/м. Найти потенциал ,
созданный распределенным
зарядом в точке А,
расположенной на оси
стержня и удаленной от его
ближай- шего конца на расстояние l.