题目
半径为R的均匀带电球面,若其电荷面密度为sigma,则在距离球面R处的电场强度为[]A. (sigma)/(epsilon_0)B. (sigma)/(2epsilon_0)C. (sigma)/(4epsilon_0)D. (sigma)/(3epsilon_0)
半径为R的均匀带电球面,若其电荷面密度为$\sigma$,则在距离球面R处的电场强度为[]
A. $\frac{\sigma}{\epsilon_0}$
B. $\frac{\sigma}{2\epsilon_0}$
C. $\frac{\sigma}{4\epsilon_0}$
D. $\frac{\sigma}{3\epsilon_0}$
题目解答
答案
C. $\frac{\sigma}{4\epsilon_0}$
解析
本题考查均匀带电球面电场强度的计算,解题思路是先根据电荷面密度求出球面所带的总电荷量,再利用高斯定理求出距离球面$R$处的电场强度。
- 计算均匀带电球面所带的总电荷量$Q$:
已知均匀带电球面的半径为$R$,电荷面密度为$\sigma$。根据电荷面密度的定义$\sigma=\frac{Q}{S}$(其中$S$为球面的表面积),球面的表面积公式为$S = 4\pi R^{2}$,则可得总电荷量$Q=\sigma S=\sigma\times4\pi R^{2}$。 - 利用高斯定理求距离球面$R$处的电场强度$E$:
高斯定理的表达式为$\oint_{S}\vec{E}\cdot d\vec{S}=\frac{Q_{enc}}{\epsilon_{0}}$(其中$\oint_{S}\vec{E}\cdot d\vec{S}$是电场强度$\vec{E}$通过闭合曲面$S$的电通量,$Q_{enc}$是闭合曲面$S$所包围的总电荷量,$\epsilon_{0}$是真空介电常数)。
以球心为球心,以$r = 2R$(距离球面$R$处)为半径作一个高斯球面$S_{g}$,由于均匀带电球面的电场具有球对称性,在高斯球面上电场强度$\vec{E}$的大小处处相等,且方向沿径向。则$\oint_{S_{g}}\vec{E}\cdot d\vec{S}=E\oint_{S_{g}}dS$,而$\oint_{S_{g}}dS$就是高斯球面的表面积,即$\oint_{S_{g}}dS = 4\pi r^{2}=4\pi(2R)^{2}$。
此时高斯球面所包围的总电荷量$Q_{enc}=Q=\sigma\times4\pi R^{2}$,代入高斯定理可得:
$\begin{align*}E\times4\pi(2R)^{2}&=\frac{\sigma\times4\pi R^{2}}{\epsilon_{0}}\\E\times16\pi R^{2}&=\frac{4\pi R^{2}\sigma}{\epsilon_{0}}\\E&=\frac{4\pi R^{2}\sigma}{16\pi R^{2}\epsilon_{0}}\\E&=\frac{\sigma}{4\epsilon_{0}}\end{align*}$