Logo
Logo

Сближение проводящих шариков в поле

1  5.00 Предположим, что заряд $Q$ находится на расстоянии $a$ от центра проводящей сферы радиуса $R_0$ ($a>R_0$). Найдите положение и величину зеркального заряда.

Ответ: Величина зеркального заряда $Q' = Q\frac{R_0}{a}$, индуцируются заряд $Q'$ в центре сферы и заряд $-Q'$ на расстоянии $b = \frac{R_0^2}{a}$ от центра сферы.

2  6.00 Пусть проводящая сфера находится в однородном электрическом поле напряжённостью $E_0$. Такое поле можно рассматривать как поле, создаваемое посередине между двумя удалёнными друг от друга точечными зарядами равной величины и противоположного знака $\pm Q$. Покажите, что индуцированное в проводящей сфере поле эквивалентно полю диполя, и найдите связь между соответствующим дипольным моментом $p$ и напряжённостью $E_0$.

Ответ: Заряды в центре сферы взаимно уничтожаются, а при $a \to +\infty$ два других заряда приближаются к центру настолько, что образуют точечный диполь $p = 4\pi \varepsilon_0 E_0 R_0^3$.

3  8.00 Пусть теперь два точечных заряда противоположного знака $\pm q$ разделены расстоянием $\Delta l$ и образуют диполь, момент $q\Delta \vec{l}$ которого лежит в радиальном направлении проводящей сферы. Сфера имеет радиус $R_0$, расстояние от неё до диполя равно $r$ ($r \gg \Delta l$). Найдите величину индуцированного на сфере дипольного момента $p$.

Ответ: $$p = \frac{R_0^3}{r^3}q\Delta l.$$

4  16.00 Во внешнем однородном электрическом поле напряжённостью $E_0$ находятся две проводящие сферы радиусом $R_0$ на расстоянии $r$ друг от друга ($r>2R_0$), а линия, соединяющая их центры, сонаправлена с напряжённостью. Выбрав систему координат так, чтобы эта линия лежала на оси $Ox$, а её середина совпадала с началом координат $O$, найдите величину потенциала $\varphi(x, y)$ в каждой точке плоскости, проходящей через ось $Ox$, и напряжённость поля в каждой точке оси $Ox$.

Ответ: $$\varphi(x, y) = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{\left( x + r/2 - b_n \right) p_n}{4\pi\varepsilon_0 \left[ \left( x + r/2 - b_n \right) + y^2 \right]^{3/2}} + \sum_{n=1}^{\infty} \frac{\left( x - r/2 + b_n \right) p_n}{4\pi\varepsilon_0 \left[ \left( x - r/2 + b_n \right) + y^2 \right]^{3/2}},$$

$$E(x,y=0) = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{p_n}{2\pi\varepsilon_0 \left|x + r/2 - b_n \right|^3} + \sum_{n=1}^{\infty} \frac{p_n}{2\pi\varepsilon_0 \left|x - r/2 + b_n \right|^3} + E_0,$$ где $p_n$ и $b_n$ задаются рекурсивными соотношениями: $r_n = r - b_n$, $b_{n+1} = R_0^2/r_n$, $p_{n+1} =p_n R_0^3/r_n^3$ и $r_1 = r$, $b_1 = 0$, $p_1 = 4\pi \varepsilon_0 E_0 R_0^3$.

5  5.00 Покажите, что при дальнейшем приближении сфер друг к другу напряжённость поля в точке между ними будет стремиться к бесконечности.

При $r \to 2R_0$ имеем $p_n = n^{-3} p_1$, $b_n = \frac{n}{n-1} R_0$, $r_n = \frac{n+1}{n} R_0$, тогда $E(x=0,y=0) = E_0 + 4E_0 \sum_{n=1}^{\infty}1 \to +\infty$.