Расчет поляризованности и плотности связанного заряда
М.И. Векслер, Г.Г. Зегря
Такие
задачи могут быть решены как с привлечением теоремы Гаусса, так и посредством
интегрирования уравнения Пуассона. Уравнение Пуассона более удобно, если
где-либо (т.е. на каких-либо поверхностях) требуется обеспечить наперед
заданные величины потенциала. Теорема Гаусса дает преимущество, если в задаче
заданы только заряды. Если потенциал уже задан формулой, то 
,
а далее просто используется уравнение Максвелла для нахождения заряда.
Задача. φ(r) = ar3+b внутри шара радиуса R проницаемости ε. Найти ρ, ρ ', σ '.
Решение: Поле направлено радиально от центра шара; внутри оно равно
|
|
а
вне шара не потребуется для решения. (Но, в принципе, его можно найти как Er = Q/(4πε0r2)
после нахождения ρ и полного заряда 
). Плотность заряда ρ получаем из
уравнения Максвелла:
|
ρ(r) |
= |
|
|
|
= |
|
Для нахождения ρ ' и σ ' потребуется поляризованность внутри шара:
|
Pr = ε0(ε–1)Er = –3aε0(ε–1)r2 |
Связанные заряды равны:
|
|
|
σ '|r = R = Pr|r = R– = –3aε0(ε–1)r2 |
Задача. Пластина толщины 2a проницаемости ε заряжена как ρ = α x2. Положив φ|x = 0 = 0, написать φ(x), найти ρ ' и σ '.
Решение: Хотя использование уравнения Пуассона при решении данной задачи вполне возможно, более удобным представляется применение теоремы Гаусса к цилиндрической поверхности, занимающей область (–∞... x) вдоль оси x. Таким способом аналогичная задача рассматривалась ранее для случая ε = 1. Изменения требуются в момент перехода от Dx к Ex в области –a<x<a:
|
|
Теперь можно найти φ c учетом условия φ|x = 0 = 0, применяя формулу
|
|
верную для любого x (и больше, и меньше нуля). Соответственно, для каждого из трех участков, на которых найдено Ex, получаем:
|
φ(x) |
= |
|
|
|
= |
|
||
|
= |
|
Для вычисления плотностей связанного заряда нам не нужен потенциал, но требуется поляризованность внутри пластины (вне она, естественно, равна нулю):
|
|
Величины ρ ' и σ ' равны:
|
|
|
σ '|x = –a |
= |
|
|
|
σ '|x = a |
= |
|
Получилось что σ '|x = –a = σ '|x = a, что вполне естественно, ввиду симметрии системы относительно плоскости x = 0.
Задача. В плоский конденсатор при а) поддерживаемом постоянным напряжении б) неизменном заряде обкладок - параллельно обкладкам ввели пластину с проницаемостью ε, которая заняла η-ю часть зазора. Найти σ ' на гранях пластины. Изначально поле составляло E0.
Ответ:
a) 
; 
б)
Примечание: в процессе решения удобно
временно ввести расстояние между обкладками d и разность потенциалов U (для
"а") или заряд обкладки σ (для "б"). Естественно, введенные
U (σ) должны быть согласованы с известным E0.
Задача. Внутри заземленного цилиндра радиуса R - равномерно заряженный (ρ0) диэлектрик ε = 1+α r. Найти φ(r), ρ', σ'.
Решение: Применяем уравнение Пуассона, так как у нас есть требование на потенциал: φ|r = R = 0:
|
|
= |
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
= |
|
Здесь A = 0, так как иначе поле, то есть –dφ/dr, оказывается неограниченным в точке r = 0. Потенциал находим интегрированием dφ/dr в пределах от R до r:
|
φ |
= |
|
|
|
= |
|
||
|
= |
|
Найдем еще поляризованность:
|
|
Теперь получаем связанный поверхностный заряд
|
|
и связанный объемный заряд:
|
|
Задача. Внутри заземленного шара радиуса R - равномерно заряженный (ρ0) диэлектрик ε = 1+α r. Найти φ(r), ρ', σ'.
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.
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://edu.ioffe.ru/r
Дата добавления: 18.05.2011
