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        均勻帶電半球面軸線(xiàn)上的電勢(shì)和電場(chǎng)強(qiáng)度

        2019-11-07 08:58:22林建福
        物理通報(bào) 2019年11期
        關(guān)鍵詞:球心積分法半球

        林建福

        (金秀瑤族自治縣民族高中 廣西 來(lái)賓 545799)

        先用積分法求出均勻帶電半球面軸線(xiàn)上的電勢(shì)表達(dá)式,然后利用電場(chǎng)強(qiáng)度與電勢(shì)的關(guān)系求出軸線(xiàn)上電場(chǎng)強(qiáng)度的表達(dá)式,并用所得表達(dá)式求出球心處的電勢(shì)和電場(chǎng)強(qiáng)度.

        1 均勻帶電半球面軸線(xiàn)上的電勢(shì)

        設(shè)有一半經(jīng)為R的均勻帶電半球面,電荷面密度為σ,現(xiàn)求出其軸線(xiàn)上的電勢(shì)表達(dá)式.如圖1所示,在軸線(xiàn)上任取一點(diǎn)p,則p點(diǎn)的電勢(shì)可以表示為如下積分

        (1)

        積分遍及整個(gè)半球面.

        圖1 均勻帶電半球面

        采用球坐標(biāo)形式,式(1)化為

        所以

        (2)

        由于z=0是式(2)的一個(gè)奇異點(diǎn),對(duì)于球心處(z=0)的電勢(shì)將于下文給出.

        當(dāng)z≥-R且z≠0時(shí)

        (3)

        當(dāng)z<-R時(shí)

        (4)

        上述式(3)、(4)即為均勻帶電半球面軸線(xiàn)上除去球心處(z=0)任意一點(diǎn)的電勢(shì)表達(dá)式.

        2 均勻帶電半球面軸線(xiàn)上的電場(chǎng)強(qiáng)度

        由于電場(chǎng)強(qiáng)度E等于電勢(shì)梯度的負(fù)值[1]

        E=-V

        設(shè)均勻帶電半球面軸線(xiàn)上電場(chǎng)強(qiáng)度為E,則

        當(dāng)z>-R時(shí),由式(3)有

        所以

        (5)

        當(dāng)z<-R時(shí),由式(4)有

        所以

        (6)

        上述式(5)、(6)即為均勻帶電半球面軸線(xiàn)上除去球心處(z=0)的電場(chǎng)強(qiáng)度的表達(dá)式.

        由于電場(chǎng)強(qiáng)度的法向分量在帶電面兩側(cè)存在突變[2],對(duì)于z=-R處即半球面所在處的電場(chǎng)強(qiáng)度并不能直接由上述式(5)、(6)給出,下面我們單獨(dú)求出z=-R處的電場(chǎng)強(qiáng)度.設(shè)從z=-R所在處上下兩邊趨于該點(diǎn)時(shí),電場(chǎng)強(qiáng)度的極限分別為E+和E-,則z=-R處的電場(chǎng)強(qiáng)度為[3]

        由式(5)、(6)可分別求出

        因此z=-R處的電場(chǎng)強(qiáng)度為

        (7)

        3 均勻帶電半球面球心處的電勢(shì)與電場(chǎng)

        由于z=0是式(2)、(3)、(5)的奇異點(diǎn),故不能直接應(yīng)用這些式子求出z=0處的電勢(shì)和電場(chǎng)強(qiáng)度,現(xiàn)直接應(yīng)用積分法求出z=0處的電勢(shì)和電場(chǎng)強(qiáng)度.

        球心處的電勢(shì)

        球心處的電場(chǎng)強(qiáng)度

        作為對(duì)比,我們?cè)俑鶕?jù)式(3)、(5),采用取極限的方法求解z=0處的電勢(shì)和電場(chǎng)強(qiáng)度.

        球心處的電勢(shì)

        球心處的電場(chǎng)強(qiáng)度

        可見(jiàn),兩種方法求出的球心處的電勢(shì)和電場(chǎng)強(qiáng)度是一致的.球心處的電勢(shì)和電場(chǎng)強(qiáng)度分別為

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