сайты - меню - вход - но­во­сти


Задания
Версия для печати и копирования в MS Word
Тип 0 № 71
i

Тон­ко­стен­ные ме­тал­ли­че­ские ци­лин­дры вло­же­ны друг в друга. Все ци­лин­дры имеют одну ось, рас­по­ло­жен­ную пер­пен­ди­ку­ляр­но плос­ко­сти ри­сун­ка. Ра­ди­у­сы со­сед­них ци­лин­дров от­ли­ча­ют­ся на \Delta R, а ра­ди­ус са­мо­го тон­ко­го равен \Delta R; ко­ли­че­ство ци­лин­дров ве­ли­ко. Каж­дый ци­линдр за­ря­ди­ли, так что плот­ность за­ря­да всех по­верх­но­стей равна по мо­ду­лю \sigma, а знак за­ря­да че­ре­ду­ет­ся: пер­вый, самый ма­лень­кий ци­линдр, за­ря­жен от­ри­ца­тель­но, сле­ду­ю­щий, вто­рой по раз­ме­ру,  — по­ло­жи­тель­но и т. д. Най­ди­те на­пря­жен­ность в об­ла­сти между n-тым и n + 1-ым ци­лин­дром, счи­тая, что n ве­ли­ко.

Спрятать решение

Ре­ше­ние.

Для ре­ше­ния за­да­чи вос­поль­зу­ем­ся тео­ре­мой Гаус­са: вы­де­лим мыс­лен­но ци­лин­дри­че­скую по­верх­ность, сим­мет­рич­но окру­жа­ю­щую n-тый ци­линдр, но ле­жа­щая внут­ри (n + 1)-го ци­лин­дра. Ра­ди­ус R этой ци­лин­дри­че­ской по­верх­но­сти, удо­вле­тво­ря­ет, оче­вид­но, со­от­но­ше­нию

n мень­ше дробь: чис­ли­тель: R, зна­ме­на­тель: \Delta R конец дроби мень­ше левая круг­лая скоб­ка n плюс 1 пра­вая круг­лая скоб­ка .\quad левая круг­лая скоб­ка 1 пра­вая круг­лая скоб­ка

Длину ци­лин­дра L вы­бе­рем еди­нич­ной. Из сим­мет­рии по­нят­но, что си­сте­ма за­ря­жен­ных ци­лин­дров будет со­зда­вать в любой точке нашей по­верх­но­сти оди­на­ко­вую по мо­ду­лю на­пря­жен­ность, обо­зна­чим её E. На­прав­ле­ние E в каж­дой точке пер­пен­ди­ку­ляр­но вы­бран­ной нами по­верх­но­сти.

Поток E через нашу по­верх­ность, оче­вид­но, равен \Phi_E = 2 Пи RLE. По тео­ре­ме Гаус­са эта ве­ли­чи­на равна  дробь: чис­ли­тель: Q, зна­ме­на­тель: эп­си­лон _0 конец дроби , где Q  — заряд ис­сле­ду­е­мой си­сте­мы, по­пав­ший внутрь вы­бран­ной нами по­верх­но­сти. В дан­ном слу­чае i-тый ци­линдр вно­сит внутрь нашей по­верх­но­сти заряд, рав­ный по мо­ду­лю |qi| = 2 Пи i\Delta RL\sigma, так что

Q=q_1 плюс q_2 плюс q_3 плюс \ldots плюс q_n=2 Пи \Delta R L \sigma левая круг­лая скоб­ка минус 1 плюс 2 минус 3 плюс 4 минус 5 плюс \ldots \pm n пра­вая круг­лая скоб­ка ,

знак в по­след­нем сла­га­е­мом за­ви­сит от чет­но­сти n.

Если n чет­ное,

Q=2 Пи \Delta R L \sigma левая круг­лая скоб­ка минус 1 плюс 2 минус 3 плюс 4 минус 5 плюс \ldots плюс n пра­вая круг­лая скоб­ка =
=2 Пи \Delta R L \sigma левая круг­лая скоб­ка левая круг­лая скоб­ка 2 минус 1 пра­вая круг­лая скоб­ка плюс левая круг­лая скоб­ка 4 минус 3 пра­вая круг­лая скоб­ка плюс левая круг­лая скоб­ка 6 минус 5 пра­вая круг­лая скоб­ка плюс \ldots плюс левая круг­лая скоб­ка n минус левая круг­лая скоб­ка n минус 1 пра­вая круг­лая скоб­ка пра­вая круг­лая скоб­ка пра­вая круг­лая скоб­ка = Пи \Delta R L n \sigma.

Тогда тео­ре­ма Гаус­са даёт

\Phi_E=2 Пи R L E= дробь: чис­ли­тель: Пи \Delta R L n \sigma, зна­ме­на­тель: эп­си­лон _0 конец дроби рав­но­силь­но E левая круг­лая скоб­ка R пра­вая круг­лая скоб­ка = дробь: чис­ли­тель: \Delta R n \sigma, зна­ме­на­тель: 2 R эп­си­лон _0 конец дроби = дробь: чис­ли­тель: n \sigma, зна­ме­на­тель: 2 левая круг­лая скоб­ка R / \Delta R пра­вая круг­лая скоб­ка эп­си­лон _0 конец дроби .

Если n не­чет­ное,

\beginarraycQ=2 Пи \Delta R L \sigma левая круг­лая скоб­ка минус 1 плюс 2 минус 3 плюс 4 минус 5 плюс \ldots плюс левая круг­лая скоб­ка n минус 1 пра­вая круг­лая скоб­ка минус n пра­вая круг­лая скоб­ка = =2 Пи \Delta R L \sigma левая круг­лая скоб­ка левая круг­лая скоб­ка 0 минус 1 пра­вая круг­лая скоб­ка плюс левая круг­лая скоб­ка 2 минус 3 пра­вая круг­лая скоб­ка плюс левая круг­лая скоб­ка 4 минус 5 пра­вая круг­лая скоб­ка плюс \ldots плюс левая круг­лая скоб­ка левая круг­лая скоб­ка n минус 1 пра­вая круг­лая скоб­ка минус n пра­вая круг­лая скоб­ка пра­вая круг­лая скоб­ка = минус Пи \Delta R L левая круг­лая скоб­ка n плюс 1 пра­вая круг­лая скоб­ка .\endarray.

Тогда тео­ре­ма Гаус­са даёт

\Phi_E=2 Пи R L E= минус дробь: чис­ли­тель: Пи \Delta R L левая круг­лая скоб­ка n плюс 1 пра­вая круг­лая скоб­ка \sigma, зна­ме­на­тель: эп­си­лон _0 конец дроби рав­но­силь­но E левая круг­лая скоб­ка R пра­вая круг­лая скоб­ка = минус дробь: чис­ли­тель: \Delta R левая круг­лая скоб­ка n плюс 1 пра­вая круг­лая скоб­ка \sigma, зна­ме­на­тель: 2 R эп­си­лон _0 конец дроби = минус дробь: чис­ли­тель: левая круг­лая скоб­ка n плюс 1 пра­вая круг­лая скоб­ка \sigma, зна­ме­на­тель: 2 левая круг­лая скоб­ка R / \Delta R пра­вая круг­лая скоб­ка эп­си­лон _0 конец дроби .

Ис­поль­зу­ем в от­ве­тах для E(R) ф-лу (1): при боль­ших n еди­ни­цей в пра­вой части не­ра­вен­ства можно пре­не­бречь, про­сто за­ме­нив  дробь: чис­ли­тель: R, зна­ме­на­тель: \Delta R конец дроби на n. Тогда при чет­ных n по­лу­чим E = \sigma}2 эп­си­лон _0, при не­чет­ных n по­лу­чим E= минус \sigma левая круг­лая скоб­ка n плюс 1 пра­вая круг­лая скоб­ка / 2 n эп­си­лон _0 \simeq минус \sigma / 2 эп­си­лон _0 здесь мы также пре­не­бре­га­ем еди­ни­цей по срав­не­нию с n.

 

Ответ: на­пряжённость E = левая круг­лая скоб­ка минус 1 пра­вая круг­лая скоб­ка в сте­пе­ни n \sigma/2 эп­си­лон _0.

Классификатор: Элек­тро­ди­на­ми­ка. На­пря­жен­ность элек­три­че­ско­го поля