题目
均匀带电球壳内半径6cm,外半径10cm,电荷体密度为2×10−5C/m3.试求距球心5cm,8cm及12cm的各点的电场强度..
均匀带电球壳内半径6cm,外半径10cm,电荷体密度为2×10−5C/m3.试求距球心5cm,8cm及12cm的各点的电场强度.
.题目解答
答案
r=5cm时,∑q=0,¯¯¯¯E=0,
r=8cm时,E≈3.48×104N⋅C−1,
r=12cm时,E≈4.10×104N⋅C−1
.解析
本题考察均匀带电球壳的电场分布,需分区域应用高斯定理求解。关键点在于:
- 球壳内外不同区域的电荷分布:球壳内空腔无电荷,电荷仅分布在壳的体积内;
- 高斯面选择:根据点的位置(空腔内、壳内、壳外),确定包围的电荷量;
- 公式推导:利用高斯定理公式 $E = \frac{Q_{\text{enc}}}{4\pi \varepsilon_0 r^2}$,结合电荷体密度 $\rho$ 计算各区域电场。
r = 5 cm(空腔内)
- 高斯面内无电荷:此时高斯面完全在空腔内,包围的电荷量 $Q_{\text{enc}} = 0$;
- 电场强度:由高斯定理直接得 $E = 0$。
r = 8 cm(壳内)
- 计算包围电荷量:
壳的内半径 $r_{\text{inner}} = 6$ cm,当前半径 $r = 8$ cm,电荷体密度 $\rho = 2 \times 10^{-5} \, \text{C/m}^3$。
包围的电荷量为:
$Q_{\text{enc}} = \rho \cdot \frac{4}{3}\pi \left( r^3 - r_{\text{inner}}^3 \right)$
代入数据得 $Q_{\text{enc}} \approx 2.51 \times 10^{-8} \, \text{C}$; - 计算电场强度:
由高斯定理:
$E = \frac{Q_{\text{enc}}}{4\pi \varepsilon_0 r^2} \approx \frac{2.51 \times 10^{-8}}{4\pi \cdot 8.85 \times 10^{-12} \cdot (0.08)^2} \approx 3.48 \times 10^4 \, \text{N/C}$
r = 12 cm(壳外)
- 计算总电荷量:
壳的外半径 $r_{\text{outer}} = 10$ cm,总电荷量为:
$Q_{\text{total}} = \rho \cdot \frac{4}{3}\pi \left( r_{\text{outer}}^3 - r_{\text{inner}}^3 \right)$
代入数据得 $Q_{\text{total}} \approx 6.57 \times 10^{-8} \, \text{C}$; - 计算电场强度:
由高斯定理:
$E = \frac{Q_{\text{total}}}{4\pi \varepsilon_0 r^2} \approx \frac{6.57 \times 10^{-8}}{4\pi \cdot 8.85 \times 10^{-12} \cdot (0.12)^2} \approx 4.10 \times 10^4 \, \text{N/C}$