Консультация # 199507: Здравствуйте, уважаемые эксперты! Прошу вас ответить на следующий вопрос: Шар равномерно заряжен по объему. Объемная плотность заряда равна р. Радиус шара R. Найти энергию электрического поля, заключенного внутри шара. ...
Здравствуйте, ktoktor.do! Условие : Шар радиусом R равномерно заряжен по объёму. Объёмная плотность заряда равна ρ . Вычислить энергию электрического поля внутри шара.
Решение : Сначала получим выражение для напряжённости поля внутри шара с помощью теоремы Гаусса (по примеру учебной статьи "Теорема Гаусса. Решебник" Ссылка ) Смысл теоремы Гаусса : "Поток вектора напряжённости электрического поля сквозь любую замкнутую поверхность пропорционален алгебраической сумме зарядов, заключенных внутри этой поверхности."
Выделим внутри большого шара маленькую сферу радиусом r < R . По теореме Гаусса для сферы радиуса r запишем уравнение: E(r)·S = q / ε0 где S = 4·π·r2 - поверхность сферы радиуса r , E(r) - вектор напряжённости поля на расстоянии r
от центра сферы; ε0 = 8,854·10-12 Ф/м - электрическая постоянная, q - сумма зарядов внутри поверхности S .
Сфера ограничивает объём V(r) = (4/3)·π·r3 Поэтому заряд внутри этой сферы равен q(r) = ρ·V(r) = (4/3)·π·ρ·r3 откуда E(r) = q(r) / (ε0·S) = ρ·r / (3·ε0)
Зная напряжённость поля, вычисляем объёмную плотность энергии - энергию на единицу объёма по формуле wE(r) = ε0·E2(r) / 2
Эта объёмная плотность зависит от текущего радиуса, но она постоянна в тонком сферическом слое с толщиной dr , площадью S и объёмом dV : dV = S·dr = 4·π·r2·dr
Это позволяет нам вычислить энергию внутри этого слоя. А затем проинтегрировать все слои радиусом r от 0 до R . Вычисление интеграла и поясняющий чертёж я сделал в приложении Маткад (ссылка) . Маткад-скриншот прилагаю. Я добавил в него подробные комментарии зелёным цветом.
Ответ : энергия электрического поля внутри шара равна 2·π·R5·ρ2 / (45·ε0)
Команда портала RFPRO.RU благодарит Вас за то, что Вы пользуетесь нашими услугами. Вы только что прочли очередной выпуск рассылки. Мы старались.
Пожалуйста, оцените его. Если совет помог Вам, если Вам понравился ответ, Вы можете поблагодарить автора -
для этого в каждом ответе есть специальные ссылки. Вы можете оставить отзыв о работе портале. Нам очень важно знать Ваше мнение.
Вы можете поближе познакомиться с жизнью портала, посетив наш форум, почитав журнал,
который издают наши эксперты. Если у Вас есть желание помочь людям, поделиться своими знаниями, Вы можете зарегистрироваться экспертом.
Заходите - у нас интересно!