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        該如何用電像法處理導(dǎo)體球腔

        2021-07-26 04:52:08姜志鋒
        物理通報(bào) 2021年8期
        關(guān)鍵詞:區(qū)域

        姜志鋒

        (鄱陽(yáng)縣第一中學(xué) 江西 上饒 333100)

        黃亦斌

        (江西師范大學(xué)理學(xué)院 江西 南昌 330000)

        1 電像法概述

        電像法是處理導(dǎo)體靜電感應(yīng)問(wèn)題的利器.其基本思路是:對(duì)于所研究的區(qū)域,內(nèi)部有點(diǎn)電荷,邊界為導(dǎo)體,如圖1(a)所示,希望能找到僅由點(diǎn)電荷組成的體系,如圖1(b)所示,使得所研究區(qū)域內(nèi)的電場(chǎng)與后一情形下對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)的電場(chǎng)完全相同.此時(shí),新引入的電荷稱(chēng)為像電荷.

        (a)研究區(qū)域內(nèi)有點(diǎn)電荷,以接地導(dǎo)體平板為界

        那么,目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)呢?有唯一性定理支持.唯一性定理指出:對(duì)于一個(gè)區(qū)域,如果給定內(nèi)部的電荷分布,又給定邊界條件,那么區(qū)域內(nèi)的電場(chǎng)被唯一確定.據(jù)此,如果有兩個(gè)相同的區(qū)域,只要內(nèi)部電荷分布相同,且邊界條件相同,則兩區(qū)域內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)分布相同.

        什么是“給定邊界條件”呢?對(duì)于以導(dǎo)體為邊界的情況,常見(jiàn)情形包括:給定各導(dǎo)體電勢(shì);給定各導(dǎo)體電荷量;給定部分導(dǎo)體的電勢(shì)和其他導(dǎo)體的電荷量.要注意,無(wú)法對(duì)同一個(gè)導(dǎo)體同時(shí)任意給定其電勢(shì)和電荷量.一般來(lái)說(shuō),對(duì)這種邊界條件,體系是無(wú)解的.

        如果用唯一性定理解決靜電感應(yīng)問(wèn)題,那么,首先,要注意所引入的像電荷必須處在所研究區(qū)域之外,否則就改變了區(qū)域內(nèi)的電荷分布.然后,要利用經(jīng)驗(yàn)和推理,研究在區(qū)域外怎樣的點(diǎn)電荷分布(連同區(qū)域內(nèi)已知的電荷分布)可以實(shí)現(xiàn)所需的邊界條件.

        接地導(dǎo)體球的靜電感應(yīng)是一個(gè)經(jīng)典問(wèn)題.通常的做法是,假定球內(nèi)部有一點(diǎn)電荷,設(shè)定其電荷量和位置,要求其與球外電荷一起使得球面的電勢(shì)為零.研究發(fā)現(xiàn),這一要求可以得到滿(mǎn)足,且有唯一解,于是我們就找到了鏡像電荷的電荷量和位置[1]

        (1)

        其中,各字母的意義和所求電場(chǎng)如圖2所示.(圖示默認(rèn)q為正電荷,q′為負(fù)電荷,若電性相反,則電場(chǎng)線(xiàn)方向相反)

        另一條思路是:首先可以證明,不等量異號(hào)電荷系統(tǒng),一定存在唯一一個(gè)等勢(shì)面是球面,如圖3中的虛線(xiàn),而且其電勢(shì)為零,其幾何性質(zhì)(球心位置、半徑)由兩電荷的電荷量和位置確定.于是,可以將導(dǎo)體球面與該等勢(shì)球面等同,從而反向推出鏡像電荷的位置和大小.圖2和圖3兩圖在球外空間的電場(chǎng)就完全相同.

        圖2 點(diǎn)電荷與接地導(dǎo)體球之間的電場(chǎng)

        圖3 不等量異號(hào)電荷間的電場(chǎng)(圖中虛線(xiàn)表示球面等勢(shì)面)

        一個(gè)值得注意的結(jié)論是:導(dǎo)體球表面的總感應(yīng)電荷正好等于鏡像電荷.這一點(diǎn)可以用高斯定理證明.

        2 導(dǎo)體球腔情形

        如果是導(dǎo)體球腔內(nèi)偏心b處置一點(diǎn)電荷q′,該如何用電像法求解腔內(nèi)的電場(chǎng)?

        實(shí)際上,圖3已經(jīng)給出了答案:其虛線(xiàn)內(nèi)的電場(chǎng)即為所求.將其重畫(huà)為圖4.此時(shí),像電荷q的數(shù)值與離球心的距離d仍由式(1)給出.此時(shí),腔內(nèi)任一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)就等于電荷q′與像電荷q在這一點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng),腔內(nèi)表面的電荷在腔內(nèi)的作用可以用腔外的點(diǎn)電荷q來(lái)代替.問(wèn)題就這么簡(jiǎn)單地解決.

        圖4 導(dǎo)體球腔的電像法示意圖

        但是跟導(dǎo)體球外情形對(duì)比時(shí),有幾個(gè)問(wèn)題值得澄清.首先,此處球腔內(nèi)表面的總感應(yīng)電荷量(-q′)顯然不等于像電荷的電荷量q,而且顯然|q|>|-q′|,這會(huì)不會(huì)有問(wèn)題?沒(méi)有.因?yàn)殡娤穹ㄎㄒ恍枰龅降闹皇菆?chǎng)強(qiáng)等效,而我們已經(jīng)做到了.其他結(jié)論與球外情形相同或不同,都無(wú)需揪心.

        其次,研究區(qū)域中某點(diǎn)的電勢(shì)等于源電荷與像電荷在該點(diǎn)產(chǎn)生的電勢(shì)之和,這一條對(duì)球外情形成立,但對(duì)球腔內(nèi)情形就不能再這么說(shuō)了.原因在于:談?wù)摗半妱?shì)”時(shí),我們一般默認(rèn)無(wú)窮遠(yuǎn)處為電勢(shì)零點(diǎn);而“無(wú)窮遠(yuǎn)處”在球外情形屬于研究區(qū)域內(nèi),而在球腔內(nèi)情形則不屬于.實(shí)際上,不論是哪種情形,我們能得到的,只是研究區(qū)域內(nèi)的電場(chǎng),從而只能得到研究區(qū)域內(nèi)任意兩點(diǎn)的電勢(shì)差.球外情形之所以可以談“電勢(shì)”,僅僅是因?yàn)殡妱?shì)零點(diǎn)幸運(yùn)地處于該區(qū)域中,故而“電勢(shì)差”變成了“電勢(shì)”.球腔內(nèi)情形則沒(méi)有這種幸運(yùn),從而只能說(shuō):腔內(nèi)某兩點(diǎn)的電勢(shì)差等于源電荷與像電荷在該兩點(diǎn)產(chǎn)生的電勢(shì)差之和.電勢(shì)疊加變成了電勢(shì)差疊加.

        那么,腔內(nèi)某點(diǎn)的電勢(shì)該如何確定呢?由于腔外情形未知,從無(wú)窮遠(yuǎn)處到腔內(nèi)該點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)分布未知,從而無(wú)法對(duì)腔內(nèi)某點(diǎn)的電勢(shì)分布下任何斷語(yǔ).如果實(shí)在要給出,那么只能是下面的形式

        (2)

        (3)

        該式的意義非常明顯.空間中任何一點(diǎn)的電勢(shì)等于源電荷、內(nèi)表面電荷以及其他電荷產(chǎn)生的電勢(shì)之和,但如果該點(diǎn)在球腔內(nèi),那么內(nèi)表面電荷的貢獻(xiàn)可以用像電荷代替.

        3 例題

        茲以文獻(xiàn)[2]中的一道題為例,說(shuō)明上述內(nèi)容.

        【例題】如圖5所示,一個(gè)帶電荷量為q的點(diǎn)電荷置于內(nèi)外半徑分別為r1和r2、不帶電導(dǎo)體球殼的空腔內(nèi)的P點(diǎn),其離球心的距離為a(a

        (1)點(diǎn)電荷q所受的靜電力;

        (2)點(diǎn)電荷q與其他電荷之間的電勢(shì)能.

        圖5 例題題圖

        解析:

        (1)靜電感應(yīng)后,球殼內(nèi)表面的電荷非均勻分布,總電荷量為-q,外表面電荷均勻分布,總電荷量為q.q所受的靜電力為外表面電荷與內(nèi)表面電荷所施加的力之和,其中前者為零,后者由圖中像電荷q′決定[2]

        于是,該力為

        (4)

        (5)

        U內(nèi)P還可以用另一種方式解決:先得到內(nèi)表面電荷在空間中產(chǎn)生的電場(chǎng),再通過(guò)積分得到其在P點(diǎn)的電勢(shì).該電場(chǎng)分布如圖6所示,其在內(nèi)表面以外產(chǎn)生的電場(chǎng)如同P點(diǎn)處-q產(chǎn)生(內(nèi)表面電荷與P點(diǎn)的電荷q在內(nèi)表面以外產(chǎn)生的合場(chǎng)強(qiáng)為零),而在內(nèi)表面以?xún)?nèi)產(chǎn)生的電場(chǎng)如同像電荷q′產(chǎn)生(注意圖中的電荷-q和q′并不真實(shí)存在).為求P點(diǎn)的電勢(shì),場(chǎng)強(qiáng)積分路徑既可以從P出發(fā)一直向右到無(wú)窮遠(yuǎn)

        又可以從P點(diǎn)往左直到無(wú)窮遠(yuǎn)

        二者的結(jié)果都與式(5)相同.

        圖6 內(nèi)表面非均勻電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)

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