Бесконечный круговой проводящий цилиндр в однородном поперечном электростатическом поле постоянной напряжённости.
Пусть цилиндрическая система координат выбрана таким образом, что продольная ось z совпадает с осью симметрии цилиндра, а направление вектора напряжённости внешнего (исходного) поля совпадает с направлением . Пусть радиус окружности поперечного сечения цилиндра равен а, положение в пространстве точки наблюдения М описывается полярными координатами и , значение продольной осевой координаты z безразлично. Рассматриваемая схема приведена на рис. 1. Электростатическое поле, возникающее в окрестности проводящего цилиндра, можно описать с помощью потенциала , который удовлетворяет двумерному уравнению Лапласа в полярных координатах для произвольной точки наблюдения М и обращается в нуль на поверхности проводящего цилиндра . Так же как в предыдущем случае, потенциал результирующего поля будем искать как сумму потенциала однородного поля и потенциала индуцированного поля:
(1)
Потенциал однородного исходного поля с учетом ориентации вектора напряженности электростатического поля и выбора направлений осей координат запишем виде:
(2)
Легко убедиться в том, что
и в любой точке пространства.
Потенциал индуцированного поля должен удовлетворять уравнению Лапласа, исчезать при больших значениях координаты и быть пропорциональным величине напряженности исходного поля. В случае проводящего шара к успеху привело предположение, что потенциал индуцированного поля можно построить как величину скалярного произведения вектора напряжённости исходного поля на градиент фундаментального решения уравнения Лапласа для бесконечного пространства. В условиях осевой симметрии фундаментальным решением уравнения Лапласа для безграничного пространства является функция . Ищем потенциал индуцированного поля в форме:
(3)
где А – произвольная постоянная. Проверим непосредственным вычислением, что это выражение удовлетворяет уравнению Лапласа:
(4)
Итак, потенциал результирующего поля можно записать в форме:
(5)
Потребуем обращения в нуль этого выражения на поверхности проводящего цилиндра . Постоянная A должна быть выбрана равной величине . Окончательный результат построения зависимости потенциала результирующего поля от пространственных переменных имеет вид:
. (6)
Располагая зависимостью для потенциала результирующего электростатического поля, вычислим вектор напряжённости результирующего поля:
. (7)
Физические компоненты вектора напряжённости результирующего электростатического поля определяются соотношениями:
(8)
Легко видеть, что на боковой поверхности проводящего цилиндра касательные компоненты вектора напряжённости электростатического поля обращаются в нуль, а радиальная компонента определяет величину поверхностной плотности индуцированного электрического заряда:
(9)
Суммарная величина индуцированного электрического заряда на единице длины поверхности проводящего цилиндра равна нулю:
(10)
Для полученного распределения поверхностной плотности индуцированного электрического заряда можно рассчитать отличную от нуля величину и направление дипольного электрического момента, приходящегося на единицу длины цилиндра.
Зависимости для радиальной и азимутальной физических составляющих вектора напряжённости электростатического поля позволяют записать дифференциальное уравнение соответствующих силовых линий:
. (11)
Общее решение этого уравнения
(12)
при соответствующем выборе множества допустимых значений величины с описывает семейство силовых линий рассматриваемого электростатического поля.
Семейство эквипотенциальных поверхностей в соответствии с зависимостью (6) описывается уравнением:
(13)
Физический смысл имеют результаты, обеспечивающие не только положительное значение величины , но и выполнение условия На рис. 1 показано расположение семейства силовых линий вектора напряжённости и расположение семейства эквипотенциальных поверхностей электростатического поля, образованного проводящим цилиндром, который помещен в однородное поперечное электростатическое поле (напряжённость внешнего поля на рис. 1 параллельна оси х декартовой системы координат).
В рассматриваемом случае легко показать, что силовые линии перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям. Действительно, из соотношения (11) получаем для силовых линий
(14)
Переходя к дифференциалам в определении эквипотенциальной поверхности (13), получаем
(15)
при перемножении этих выражений получаем в правой части значение «минус единица», что подтверждает отмеченное выше свойство силовых линий и эквипотенциальных поверхностей.
Дата добавления: 2017-09-01; просмотров: 2836;