题目
一半径为R的带电球体,其电荷体密度分布为 ρ=Ar(r≤R) ,ρ=0(r>R)A为一常量.试求球体内外的场强分布.
一半径为R的带电球体,其电荷体密度分布为 ρ=Ar(r≤R) ,ρ=0(r>R)A为一常量.试求球体内外的场强分布.
题目解答
答案
Ar²/4ε0# AR^4/4ε0r²
解析
步骤 1:确定球体内外的电荷分布
球体内部的电荷体密度分布为 ρ=Ar(r≤R),球体外部的电荷体密度分布为 ρ=0(r>R)。其中,A为一常量,r为球体内部的半径,R为球体的半径。
步骤 2:计算球体内部的电荷量
球体内部的电荷量可以通过积分计算得到。设球体内部的电荷量为Q,那么有:
\[ Q = \int_{0}^{R} \rho(r) 4\pi r^2 dr = \int_{0}^{R} Ar 4\pi r^2 dr = 4\pi A \int_{0}^{R} r^3 dr = 4\pi A \frac{R^4}{4} = \pi A R^4 \]
步骤 3:计算球体内部的场强分布
根据高斯定理,球体内部的场强分布为:
\[ E(r) = \frac{1}{4\pi \varepsilon_0} \frac{Q_{\text{enc}}}{r^2} = \frac{1}{4\pi \varepsilon_0} \frac{\pi A r^4}{r^2} = \frac{Ar^2}{4\varepsilon_0} \]
步骤 4:计算球体外部的场强分布
球体外部的场强分布为:
\[ E(r) = \frac{1}{4\pi \varepsilon_0} \frac{Q}{r^2} = \frac{1}{4\pi \varepsilon_0} \frac{\pi A R^4}{r^2} = \frac{AR^4}{4\varepsilon_0 r^2} \]
球体内部的电荷体密度分布为 ρ=Ar(r≤R),球体外部的电荷体密度分布为 ρ=0(r>R)。其中,A为一常量,r为球体内部的半径,R为球体的半径。
步骤 2:计算球体内部的电荷量
球体内部的电荷量可以通过积分计算得到。设球体内部的电荷量为Q,那么有:
\[ Q = \int_{0}^{R} \rho(r) 4\pi r^2 dr = \int_{0}^{R} Ar 4\pi r^2 dr = 4\pi A \int_{0}^{R} r^3 dr = 4\pi A \frac{R^4}{4} = \pi A R^4 \]
步骤 3:计算球体内部的场强分布
根据高斯定理,球体内部的场强分布为:
\[ E(r) = \frac{1}{4\pi \varepsilon_0} \frac{Q_{\text{enc}}}{r^2} = \frac{1}{4\pi \varepsilon_0} \frac{\pi A r^4}{r^2} = \frac{Ar^2}{4\varepsilon_0} \]
步骤 4:计算球体外部的场强分布
球体外部的场强分布为:
\[ E(r) = \frac{1}{4\pi \varepsilon_0} \frac{Q}{r^2} = \frac{1}{4\pi \varepsilon_0} \frac{\pi A R^4}{r^2} = \frac{AR^4}{4\varepsilon_0 r^2} \]