Пространство между двумя концентрическими сферами радиусами 10 см и 15 см, несущими заряды 20 нКл и −10 нКл соответственно, заполнено диэлектриком с проницаемостью =3.
1) Найти потенциал внешней и внутренней сфер.
2) Определите абсолютное значение плотности поляризационного заряда на внутренней границе диэлектрика (радиуса 10 см)
3) Определите абсолютное значение плотности поляризационного заряда на внешней границе диэлектрика (радиуса 15 см)
от

1 Ответ

дано:  
r1 = 10 см = 0.1 м (радиус внутренней сферы)  
r2 = 15 см = 0.15 м (радиус внешней сферы)  
Q1 = 20 нКл = 20 * 10^-9 Кл (заряд внутренней сферы)  
Q2 = -10 нКл = -10 * 10^-9 Кл (заряд внешней сферы)  
ε = 3 (диэлектрическая проницаемость)  

найти:  
1) потенциал внутренней и внешней сфер  
2) плотность поляризационного заряда на внутренней границе диэлектрика  
3) плотность поляризационного заряда на внешней границе диэлектрика  

решение:  
1) Потенциал внутренней сферы V1 и внешней сферы V2 можно найти по формуле:

V = k * Q / r, где k = 8.99 * 10^9 Н·м²/Кл²

Потенциал внутренней сферы (r1):

V1 = k * Q1 / r1  
V1 = (8.99 * 10^9) * (20 * 10^-9) / 0.1  
V1 = (8.99 * 20) / 0.1  
V1 = 1798 Н/Кл = 1798 В

Потенциал внешней сферы (r2):

V2 = k * Q2 / r2 + V1  (учитываем, что потенциал в области между сферами постоянен)  
V2 = (8.99 * 10^9) * (-10 * 10^-9) / 0.15 + V1  
V2 = (-8.99 * 10) / 0.15 + 1798  
V2 = -599.33 + 1798  
V2 = 1198.67 В

2) Плотность поляризационного заряда на внутренней границе (σ1) рассчитывается по формуле:

σ1 = P * ε0, где P = ε0 * (E1), E1 = V1 / r1.

Сначала рассчитаем электрическое поле E1:

E1 = V1 / r1  
E1 = 1798 / 0.1  
E1 = 17980 В/м  

Теперь найдем плотность поляризационного заряда σ1:

σ1 = ε0 * E1  
σ1 = (8.85 * 10^-12) * 17980  
σ1 ≈ 1.59 * 10^-7 Кл/м²  

3) Плотность поляризационного заряда на внешней границе (σ2) находят аналогично:

σ2 = P * ε0, где P = ε0 * (E2), E2 = V2 / r2.

Сначала рассчитаем электрическое поле E2:

E2 = V2 / r2  
E2 = 1198.67 / 0.15  
E2 ≈ 7984.47 В/м  

Теперь найдем плотность поляризационного заряда σ2:

σ2 = ε0 * E2  
σ2 = (8.85 * 10^-12) * 7984.47  
σ2 ≈ 7.06 * 10^-8 Кл/м²  

ответ:  
1) Потенциал внутренней сферы 1798 В, потенциал внешней сферы 1198.67 В.  
2) Плотность поляризационного заряда на внутренней границе 1.59 * 10^-7 Кл/м².  
3) Плотность поляризационного заряда на внешней границе 7.06 * 10^-8 Кл/м².
от