题目
6-21 电荷Q均匀分布在半径为R的球体内,试证明离球心r(r<R)处的电势为 Gamma =dfrac (Q(3{R)^2-(r)^2)}(8{pi r)^0(R)^3}
6-21 电荷Q均匀分布在半径为R的球体内,试证明离球心r(r<R)处的电势为
题目解答
答案
首先,球内电荷体密度为:
(1) 考虑球心到 r的小球:
该小球的体积为 ,电荷为
。
电势 由这部分电荷产生的在距离
的点为:
(2) 考虑从r到R的球壳:
对于球壳上的一个微小电荷,其半径为
,厚度为
,产生的电势为:
其中:
代入上式得到:
对 从r 到 R 积分得到
:
总电势为:
将和
的表达式代入,得到:
这就完成了证明。
解析
步骤 1:计算球内电荷体密度
球内电荷体密度为:
$\rho =\dfrac {Q}{\dfrac {4}{3}\pi {R}^{3}}$
步骤 2:计算球心到 r 的小球的电势
该小球的体积为 $\dfrac {4}{3}\pi {r}^{3}$,电荷为 $q=\rho \times \dfrac {4}{3}\pi {r}^{3}$。
电势 由这部分电荷产生的在距离 r 的点为:
${U}_{1}=\dfrac {q}{4\pi {\varepsilon }_{0}r}$
${U}_{1}=\dfrac {\rho \times \dfrac {4}{3}\pi {r}^{3}}{4\pi {\varepsilon }_{0}r}$
${U}_{1}=\dfrac {Q{r}^{2}}{4\pi {\varepsilon }_{0}\times \dfrac {4}{3}{R}^{3}}$
步骤 3:计算从r到R的球壳的电势
对于球壳上的一个微小电荷,其半径为 r',厚度为 dr',产生的电势为:
${U}_{2}=\dfrac {dq}{4\pi {\varepsilon }_{0}r}$
其中:
$dq=\rho \times 4\pi {r'}^{2}dr'$
代入上式得到:
${U}_{2}=\dfrac {\rho \times 4\pi {r'}^{2}dr'}{4\pi {\varepsilon }_{0}r}$
对 dU2从r 到 R 积分得到:
${U}_{2}=\dfrac {Q}{4\pi {\varepsilon }_{0}\times \dfrac {4}{3}{R}^{3}}{\int }_{r}^{R}r'dr'$
${U}_{2}=\dfrac {Q}{4\pi {\varepsilon }_{0}\times \dfrac {4}{3}{R}^{3}}\times \dfrac {1}{2}({R}^{2}-{r}^{2})$
步骤 4:计算总电势
总电势为:
$J={U}_{1}+{U}_{2}$
将 ${U}_{1}$ 和 ${U}_{2}$ 的表达式代入,得到:
$J=\dfrac {Q{r}^{2}}{4\pi {\varepsilon }_{0}\times \dfrac {4}{3}{R}^{3}}+\dfrac {Q}{4\pi {\varepsilon }_{0}\times \dfrac {4}{3}{R}^{3}}\times \dfrac {1}{2}({R}^{2}-{r}^{2})$
$J=\dfrac {Q(3{R}^{2}-{r}^{2})}{8\pi {\varepsilon }_{0}{R}^{3}}$
球内电荷体密度为:
$\rho =\dfrac {Q}{\dfrac {4}{3}\pi {R}^{3}}$
步骤 2:计算球心到 r 的小球的电势
该小球的体积为 $\dfrac {4}{3}\pi {r}^{3}$,电荷为 $q=\rho \times \dfrac {4}{3}\pi {r}^{3}$。
电势 由这部分电荷产生的在距离 r 的点为:
${U}_{1}=\dfrac {q}{4\pi {\varepsilon }_{0}r}$
${U}_{1}=\dfrac {\rho \times \dfrac {4}{3}\pi {r}^{3}}{4\pi {\varepsilon }_{0}r}$
${U}_{1}=\dfrac {Q{r}^{2}}{4\pi {\varepsilon }_{0}\times \dfrac {4}{3}{R}^{3}}$
步骤 3:计算从r到R的球壳的电势
对于球壳上的一个微小电荷,其半径为 r',厚度为 dr',产生的电势为:
${U}_{2}=\dfrac {dq}{4\pi {\varepsilon }_{0}r}$
其中:
$dq=\rho \times 4\pi {r'}^{2}dr'$
代入上式得到:
${U}_{2}=\dfrac {\rho \times 4\pi {r'}^{2}dr'}{4\pi {\varepsilon }_{0}r}$
对 dU2从r 到 R 积分得到:
${U}_{2}=\dfrac {Q}{4\pi {\varepsilon }_{0}\times \dfrac {4}{3}{R}^{3}}{\int }_{r}^{R}r'dr'$
${U}_{2}=\dfrac {Q}{4\pi {\varepsilon }_{0}\times \dfrac {4}{3}{R}^{3}}\times \dfrac {1}{2}({R}^{2}-{r}^{2})$
步骤 4:计算总电势
总电势为:
$J={U}_{1}+{U}_{2}$
将 ${U}_{1}$ 和 ${U}_{2}$ 的表达式代入,得到:
$J=\dfrac {Q{r}^{2}}{4\pi {\varepsilon }_{0}\times \dfrac {4}{3}{R}^{3}}+\dfrac {Q}{4\pi {\varepsilon }_{0}\times \dfrac {4}{3}{R}^{3}}\times \dfrac {1}{2}({R}^{2}-{r}^{2})$
$J=\dfrac {Q(3{R}^{2}-{r}^{2})}{8\pi {\varepsilon }_{0}{R}^{3}}$