Расчет поля симметричного распределения зарядов в неоднородной среде по теореме Гаусса

М.И. Векслер, Г.Г. Зегря

Рассмотрим
пример сферической системы ρ = ρ(r), кроме того, возможно, имеются
заряженные сферы (Ri, σi) и/или точечный заряд qc в центре. Помимо этого, ε
= ε(r). Согласно теореме Гаусса,

qinside = 4π r2 Dr = 4π ε0ε(r) r2 Er

(31)

(32)

(33)

При
наличии только объемного стороннего заряда ρ

(34)

В
точках разрыва ε(r) (на стыке двух диэлектриков) или qinside(r) (в момент
“перехода” через заряженную сферу) соответствующая производная
ε'(r) или qinside'(r) имеет разрыв. При этом поверхностный связанный заряд
составляет:

(35)

Другие
значения r проверять на наличие связанного заряда бессмысленно, так как там
заведомо σ’ = 0.

Задача.
Имеются две концентрические заряженные сферы (σ1, R1 и σ2, R2). Найти
Er(r), φ(r) и σ ‘, если пространство между сферами заполнено
однородным диэлектриком с проницаемостью ε.

Решение
Такая задача, только без диэлектрика между обкладками, уже была решена нами с
использованием теоремы Гаусса. Единственным отличием здесь будет связь Dr(r) и
Er(r) в области R1<>

Как
и раньше,

qinside = 4π r2 Dr(r)

причем

qinside

 =

0 при r<>

4πσ1R12 при R1<><>

4πσ1R12+4πσ2R22 при r>R2

Поле
на каждом из участков будет

Er

 =

0 при r<>

При
вычислении потенциала мы должны вычислить .
При этом необходимо правильно выписывать Er на каждoм участке:

φ(r)

 =

 =

φ(r)

 =

 =

φ(r)

 =

 =

В
некоторых выражениях для φ(r) (но не всюду!) появилась дополнительная
величина ε.

Для
нахождения σ ‘ на сферах r = R1 и r = R2 нам потребуются значения
поляризованности с обеих сторон каждой из сфер:

,

,

Нулевые
значения появились из-за отсутствия диэлектрика в областях rR2.
Сразу же находим и
(на
других поверхностях никакого связанного заряда нет):

 =

 =

Легко
проверить, что суммарный связанный заряд, то есть ,
равен нулю, как и должно быть.

Задача.
Шар радиуса R равномерно заряжен по объему сторонним зарядом ρ.
Проницаемость шара ε. Найти Er(r), φ(r), ρ'(r), σ’ на краю
шара.

Ответ:
 

.

Список литературы

1.
И.Е. Иродов, Задачи по общей физике, 3-е изд., М.: Издательство БИНОМ, 1998. – 448
с.; или 2-е изд., М.: Наука, 1988. – 416 с.

2.
В.В. Батыгин, И.Н. Топтыгин, Сборник задач по электродинамике (под ред. М.М.
Бредова), 2-е изд., М.: Наука, 1970. – 503 с.

3. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, Теоретическая
физика. т.8 Электродинамика сплошных сред, 2-е изд., М.: Наука, 1992. – 661 с.

Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://edu.ioffe.ru/r

Дата добавления: 18.05.2011