Бесконечно длинная и равномерно заряженная нить с линейной плотностью эл. заряда τ = 5*10^-9 Кл м окружена последовательно двумя цилиндрическими слоями диэлектрика ( ε 1 = 2 и  ε 2 = 3). Их наименьшие радиусы равны соответственно R1 = 0,05 м и R2 = 0,25 м . Каким будет потенциал на грантцах диэлектриков, внутри первого диэлектрика, внутри второго диаэоектрика и снаружи диэлектриков?
от

1 Ответ

дано:  
τ = 5 * 10^-9 Кл/м (линейная плотность заряда)  
ε1 = 2 (диэлектрическая проницаемость первого диэлектрика)  
ε2 = 3 (диэлектрическая проницаемость второго диэлектрика)  
R1 = 0,05 м (радиус первого диэлектрика)  
R2 = 0,25 м (радиус второго диэлектрика)

найти:  
V1 (потенциал внутри первого диэлектрика)  
V2 (потенциал внутри второго диэлектрика)  
V3 (потенциал снаружи диэлектриков)

решение:  
Потенциал V на расстоянии r от бесконечно длинной заряженной нити определяется по формуле:

V(r) = - (τ / (2πε0)) * ln(r) + C

где ε0 = 8.85 * 10^-12 Ф/м (електрическая постоянная), C – интеграционная константа.

1. Потенциал внутри первого диэлектрика (r = R1):

V1 = - (τ / (2πε0)) * ln(R1) + C  
Подставим значения:  
V1 = - (5 * 10^-9) / (2 * π * 8.85 * 10^-12) * ln(0.05) + C  
V1 ≈ - (5 * 10^-9) / (5.57 * 10^-11) * (-2.9957) + C  
V1 ≈ 267.79 + C

2. Потенциал внутри второго диэлектрика (r = R2):

Для второго диэлектрика необходимо учитывать, что его диэлектрическая проницаемость влияет на результат:

V2 = - (τ / (2πε0 * ε1)) * ln(R2/R1) + V1  
V2 = - (5 * 10^-9) / (2 * π * 8.85 * 10^-12 * 2) * ln(0.25/0.05) + (267.79 + C)  
V2 ≈ - (5 * 10^-9) / (1.11 * 10^-10) * (1.6094) + (267.79 + C)  
V2 ≈ - 45.05 + (267.79 + C)  
V2 ≈ 222.74 + C  

3. Потенциал снаружи диэлектриков (r > R2):

V3 = - (τ / (2πε0 * ε1 * ε2)) * ln(r/R2) + V2  
Для находящегося на большом расстоянии уровня потенциала можно принять r → ∞, ln(∞) будет стремиться к +∞, следовательно для вычислений общего потенциала используется значение в границах диэлектриков.

V3 = V2 = 222.74 + C  

ответ:  
Потенциал внутри первого диэлектрика V1 составляет приблизительно 267.79 + C,  
потенциал внутри второго диэлектрика V2 составляет приблизительно 222.74 + C,  
потенциал снаружи диэлектриков V3 равен 222.74 + C.
от