题目
两个带有等量异号电荷的无限长同轴圆柱面,半径分别为R1和R2(R1<R2),单位长度上的电荷为λ.求离轴线为r处的电场强度: (1)r<R1. (2)R1<r<R2. (3)r>R2.
两个带有等量异号电荷的无限长同轴圆柱面,半径分别为R1和R2(R1<R2),单位长度上的电荷为λ.求离轴线为r处的电场强度:
(1)
r<R1.
(2)
R1<r<R2.
(3)
r>R2.
题目解答
答案
- (1)
E=0
- (2)
Eλ2πε0r
- (3)
E=0
解析
本题考察无限长同轴圆柱面电场的分布,需利用高斯定理结合对称性分析不同区域的电场。关键点在于:
- 电荷分布:两圆柱面带有等量异号电荷,单位长度电荷量为$\lambda$,内圆柱面(半径$R_1$)电荷为$+\lambda$,外圆柱面(半径$R_2$)电荷为$-\lambda$。
- 高斯面选择:根据$r$的位置,选择不同半径的圆柱面作为高斯面,计算包围的总电荷量。
- 电场对称性:电场强度在轴对称方向上大小相等,方向径向,高斯面上场强处处相等。
(1) $r < R_1$(内圆柱面内部)
- 高斯面:半径$r$的圆柱面。
- 包围电荷:内圆柱面电荷分布在表面($r=R_1$),高斯面内无电荷,$Q_{\text{enc}}=0$。
- 高斯定理:$\oint \mathbf{E} \cdot d\mathbf{A} = \frac{Q_{\text{enc}}}{\varepsilon_0} \implies E \cdot 2\pi r L = 0 \implies E=0$。
(2) $R_1 < r < R_2$(两圆柱面之间)
- 高斯面:半径$r$的圆柱面。
- 包围电荷:仅内圆柱面的电荷$+\lambda L$被包围,外圆柱面电荷在高斯面外。
- 高斯定理:$E \cdot 2\pi r L = \frac{\lambda L}{\varepsilon_0} \implies E = \frac{\lambda}{2\pi \varepsilon_0 r}$。
(3) $r > R_2$(外圆柱面外部)
- 高斯面:半径$r$的圆柱面。
- 包围电荷:内圆柱面$+\lambda L$与外圆柱面$-\lambda L$总和为$0$。
- 高斯定理:$E \cdot 2\pi r L = \frac{0}{\varepsilon_0} \implies E=0$。