Найти: φ.
Решение: Кольцо разобьём на концентрические бесконечно тонкие кольца внутренним радиусом r и внешним – (r+dr).
Площадь рассматриваемого тонкого кольца (см.рисунок) dS=2πrdr.
Потенциал в центре кольца, создаваемый бесконечно тонким кольцом,
где – поверхностная плотность заряда.
Для определения потенциала в центре кольца следует арифметически сложить dφ от всех бесконечно тонких колец. Тогда
Учитывая, что заряд кольца Q=σS, где S= π(R22-R12)- площадь кольца, получим искомый потенциал в центре кольца
Ответ: φ=25В
Пример 12.3. Два точечных одноименных заряда (q1=2нКл и q2=5нКл) находятся в вакууме на расстоянии r1= 20см. Определите работу А, которую надо совершить, чтобы сблизить их до расстояния r2=5см.
Дано: q1=2нКл=2∙10-9Кл; q 2=5нКл=5∙10-9Кл; r1= 20см=0,2м; r2=5см=0,05м.
Найти: а.
Решение: Работа, совершаемая силами электростатического поля при перемещении заряда Q из точки поля, имеющей потенциал φ1, в точку с потенциалом φ2.
A12= q(φ1- φ2)
При сближении одноимённых зарядов работу совершают внешние силы, поэтому работа этих сил равна по модулю, но противоположна по знаку работе кулоновских сил:
A= -q(φ1- φ2)= q(φ2- φ1). (1)
Потенциалы точек 1 и 2 электростатического поля
; (2)
Подставив формулы (2) в выражение (1), найдём искомую работу, которую надо совершить, чтобы сблизить заряды,
Ответ: А=1,35 мкДж.
Пример 12.4. Электростатическое поле создаётся положительно заряженной бесконечной нитью. Протон, двигаясь под действием электростатического поля вдоль линии напряжённости от нити с расстояния r1=2см до r2=10см, изменил свою скорость от υ1=1Мм/с до υ2=5Мм/с. Определите линейную плотность τ заряда нити..
Дано: q=1,6∙10-19 Кл; m=1,67∙10-27кг; r1=2см=2∙10-2м; r2= 10см=0,1м; r2=5см=0,05м; υ1=1Мм/с=1∙106м/с; до υ2=5Мм/с=5∙106м/с.
Найти: τ.
Решение: Работа, совершаемая силами электростатического поля при перемещении протона из точки поля с потенциалом φ1 в точку с потенциалом φ2 идёт на увеличение кинетической энергии протона
q(φ1- φ2)=ΔТ (1)
В случае нити электростатическое поле обладает осевой симметрией, поэтому
или dφ=-Edr,
тогда разность потенциалов между двумя точками, находящимися на расстоянии r1 и r2 от нити,
(учли, что напряжённость поля, создаваемого равномерно заряженной бесконечной нитью, ).
Подставив выражение (2) в формулу (1) и учитывая, что , получим
Откуда искомая линейная плотность заряда нити
Ответ: τ = 4,33 мкКл/м.
Пример 12.5. Электростатическое поле создаётся в вакууме шаром радиусом R=8см, равномерно заряженными с объёмной плотностью ρ=10нКл/м3. Определите разность потенциалов между двумя точками этого поля, лежащими от центра шара на расстояниях: 1) r1=10см и r2=15см; 2) r3= 2см и r4=5см..
Дано: R=8см=8∙10-2м; ρ=10нКл/м3=10∙10-9нКл/м3; r1=10см=10∙10-2м;
r2=15см=15∙10-2м; r3= 2см=2∙10-2м; r4=5см=5∙10-2м.
Найти: 1) φ1- φ2; 2) φ3- φ4.
Решение: 1) Разность потенциалов между двумя точками, лежащими на расстоянии r1 и r2 от центра шара.
(1)
где - напряжённость поля, создаваемого равномерно заряженным с объёмной плотностью ρ шаром, в любой точке, лежащей вне шара на расстоянии r от его центра.
Подставив это выражение в формулу (1) и проинтегрировав, получим искомую разность потенциалов