Консультация № 197949
08.03.2020, 16:20
0.00 руб.
0 2 1
Здравствуйте! У меня возникли сложности с таким вопросом:
Рассчитать напряженность электрического поля, создаваемого тонким заряженным стержнем в точке, находящейся на серединном перпендикуляре к стержню на расстоянии R от стержня. Электрический заряд распределяется по длине L равномерно с линейной плотностью λ > 0.
Сделать рисунок.

Обсуждение

давно
Мастер-Эксперт
259041
7459
09.03.2020, 15:42
общий
Адресаты:
Вы писали в личной почте "Очень прошу Вас сегодня ответить rfpro.ru/question/197949" . Я никогда не решал подобных задач. Поэтому решить быстро и сегодня не удаётся. Но я уже нашёл решения похожих задач в интернете, изучил алгоритм решения и сделал рисунок. Планирую отправить Вам Ответ завтра (ч-з 20 часов, сейчас у нас уже поздний вечер на ДальВостоке).
давно
Мастер-Эксперт
259041
7459
10.03.2020, 04:58
общий
это ответ
Здравствуйте, dar777!
Дано : L - длина стержня, [$955$] - линейная плотность заряда стержня, R - расстоянии от стержня до точки M измерения.
Рассчитать напряженность E электрического поля в точке M .

Решение : По закону Кулона модуль напряженности поля, создаваемого точечным зарядом q на расстоянии г от него, вычисляется по формуле
E = 1 / (4·[$960$]·[$949$]·[$949$]0·r2) (1) (см учебник "Физика в средней школе". Аксенович, Ракина, стр217)
Здесь [$949$]0 = 8,85·10-12 Ф/м - электрическая постоянная, [$949$] - диэлектрическая проницаемость среды. [$949$]=1 для воздуха и вакуума, решаем задачу для воздушной среды.
Для одномерных заряженных тел (стержни, нити) используется понятие линейной плотности заряда:
[$955$] = dq / dL

Используем принцип суперпозиции электрических полей и разобьём стержень на малые элементы dy (dy << R). Из точки M они представляются точечными зарядами величиной dq = [$955$]·dy . См ниже-рисунок.

Модуль напряжённости поля в точке M равен E = [1 / (4·[$960$]·[$949$]0·r2)] · L [$8747$]([$955$]/r2)·dr (2) (см Лит1 формулу 6.7 стр2)

Интегрирование ведётся по всем элементам dL вдоль заряженного стержня (L).
При интегрировании вдоль стержня L складываются векторы dE различного направления. Разобьём эти векторы на две компоненты dE[$8594$]x и dE[$8594$]y .
Тогда E[$8594$] = L [$8747$]dE[$8594$] = L [$8747$]dE[$8594$]x + L [$8747$]dE[$8594$]y (3)

В силу симметрии задачи сумма векторов L [$8747$]dE[$8594$]y от всех участков стержня равна нулю, и задача существенно упрощается.
E[$8594$] = L [$8747$]dE[$8594$] = L [$8747$]dE[$8594$]x (4)

Так как теперь складываются только сонаправленные векторы dE[$8594$]x , то можно перейти к суммированию их модулей:
E = L [$8747$]dEx = L [$8747$]dE·cos([$945$]) = [[$955$] / (4·[$960$]·[$949$]0)] · [$8747$](cos([$945$])·dy / r2 (5)

Для интегрирования удобно перейти к одной переменной - углу [$945$] . Выразим для этого координату элемента стержня:
y = R·tg([$945$]) (6)
Отсюда: dy = R·d[$945$] / [cos([$945$])]2 (7)
Подставим r2 = R2 / [cos([$945$])]2 в равенство (5) и получим:
E = [[$955$] / (4·[$960$]·[$949$]0·R)] · -[$945$]0[$945$]0[$8747$](cos([$945$])·d[$945$] = [$955$]·sin([$945$]0) / (2·[$960$]·[$949$]0·R) (8)
Здесь [$945$]0 - полный угол обзора верхней половины стержня из точки М . По теореме Пифагора для прямоуголного треугольника
sin([$945$]0) = (L/2) / [$8730$][(L/2)2 + R2] (9)
Окончательный ответ : Модуль вектора E = [$955$]·L / [2·[$960$]·[$949$]0·R·[$8730$](L2 + 4·R2)] (10)
Направление этого вектора напряжённости соврадает с направлением оси X (и компонент E[$8594$]x , то есть - вправо по рисунку).

Сделаем хотя бы упрощённую проверку. Если представить, будто высота L стержня уменьшается до нуля, тогда стержень превращается в точечный заряд, и тогда формула (10) должна упроститься до формулы (1). При L [$8594$] 0 имеем:
q = L·[$955$] , [$955$] = q/L
E = [$955$]·L / [2·[$960$]·[$949$]0·R·[$8730$](L2 + 4·R2] = q / [2·[$960$]·[$949$]0·R·[$8730$](02 + 4·R2)] = q / (2·[$960$]·[$949$]0·R·2·R) = q / (4·[$960$]·[$949$]0·R2) - проверка успешна!
Та же метаморфоза происходит и при большом увеличении R , когда R >> L/2 и стержень из далёкой точки М видится, как точечный заряд.

Решение похожих задач см Лит1 стр4, Решебник ТГУ, пример1 Ссылка1
Решебник gigabaza.ru \ Задача N1 Ссылка2

Лит1: "Электро-статика и Магнетизм. Решебник" [url=http://vega.phys.msu.ru/files/phys/books/elec_magn.pdf ]Ссылка3[/url]
5
Это самое лучшее решение!
Форма ответа