Filtr seznamu úloh?

Zvolte požadované hodnoty úrovní a požadované štítky. V obsahu budou zobrazeny pouze úlohy mající jednu ze zvolených úrovní každé škály a alespoň jeden štítek. Pokud chcete filtrovat pouze podle některých škál nebo jen podle štítků, nechte ostatní skupiny prázdné.

Škály

Úroveň náročnosti

Štítky

Typy úloh
Poznávací operace
«
«
«

Pole homogenně polarizované koule

Úloha číslo: 264

Určete průběh potenciálu pole homogenně polarizované koule. Uvnitř koule určete také intenzitu elektrického pole. Popište také charakter pole uvnitř i vně koule.

Poznámka: Polarizace je homogenní, nikoliv radiální! To jest, vektor polarizace je v celé kouli konstantní, má stejnou velikost i stejný směr.

Rovnoměrně polarizovaná koule
  • Nápověda 1

    Uvědomte si, že vektor polarizace má význam „hustoty dipólů“ v materiálu. To znamená, element koule dV' se chová jako dipól s dipólovým momentem dp,=PdV.

  • Nápověda 2

    Pro potenciál pole elementárního dipólu p, umístěného v bodě r, platí

    φ(r)=14πε0p,(rr,)|rr,|3.
  • Nápověda 3

    Potenciál pole homogenně polarizovaného materiálu napište jako integrál přes příspěvky elementárních dipólů dp,=PdV,.

  • Řešení — sestavení integrálu

    Vektor polarizace má význam hustoty dipólů a pro potenciál pole v bodě r elementárního dipólu p, umístěného v místě r, platí vztah

    φ(r)=14πε0p,(rr,)|rr,|3.

    Potenciál v libovolném bodě prostoru v případě polarizované koule tedy můžeme určit takto: prostorový element koule dV' se chová jako elementární dipól s dipólovým momentem dp,=PdV,. Potenciál určíme integrací přes jednotlivé příspěvky, platí tedy

    φ(r)=14πε0kouleP(rr,)|rr,|3dV.

    Zbývá vypočíst tento integrál, k čemuž lze užít různých postupů.

  • Nápověda 4

    Uvědomte si, že vektor polarizace P je konstantní a lze jej vytknout před integrál. Podívejte se nyní dobře na tvar integrálu, zda jste se s ním již někde nesetkali.

  • Nápověda 5

    Integrál po vytknutí má formálně stejný tvar jako integrál pro určení intenzity elektrického pole v materiálu s rovnoměrnou hustotou rozložení náboje ρ = 1. Využijte toho při jeho počítání.

  • Nápověda 6

    Určit integrál po vytknutí vektoru polarizace je po formální stránce stejná úloha jako určit intenzitu elektrického pole buzeného koulí s rovnoměrně rozloženým objemovým nábojem o jednotkové hustotě. V obou úlohách má totiž vyšetřovaný integrál stejný tvar.

    Integrál lze vypočítat přímo, výhodnější však je použít Gaussovu větu elektrostatiky.

  • Řešení — trik

    Pro potenciál v libovolném bodě prostoru r podle předchozí části řešení platí

    φ(r)=koule14πε0(PdV)(r,r)|r,r|3

    a protože vektor P je konstantní, lze jej vytknout před integrál

    φ(r)=P(14πε0koule(r,r)|r,r|3dV),

    ovšem s tím, že nyní v závorce integrujeme vektorovou funkci. Jedná se tedy vlastně o tři integrály pro každou složku zvlášť.

    Označme nyní

    E(r)=14πε0koule(r,r)|r,r|3dV.

    Integrál v závorce se shoduje s integrálem pro výpočet intenzity elektrického pole v bodě r, které je buzeno koulí s rovnoměrně rozloženým objemovým nábojem o jednotkové hustotě.

    Přestože integrál jde vypočíst přímo, k výpočtu intenzity můžeme použít Gaussovu větu. Výpočet je stručně připomenut v následujícím oddílu.

  • Řešení — určení integrálu pomocí Gaussovy věty

    Označme R poloměr koule.

    Intenzita elektrického pole v místě r v důsledku sférické symetrie má směr i orientaci vektoru r a její velikost E(r) závisí pouze na vzdálenosti r od středu koule. Podle Gaussovy věty elektrostatiky

    SEdS=Qintε0,

    v níž na levé straně integrujeme přes sféru o poloměru r a napravo je náboj obsažený uvnitř této sféry, to jest v kouli o poloměru r, platí

    E(r)4πr2=Qintε0,

    což pro r > R dává (připomeňme, že v našem případě ρ = 1)

    E(r)=14πε0r2ϱ43πR3=13ε0R3r2

    a pro r < R dostáváme

    E(r)=14πε0r2ϱ43πr3=13ε0r.

    Vektorově tedy dostáváme

    E(r)=E(r)rr,

    uvnitř koule

    E=13ε0r,

    vně koule

    E=R33ε0r3r.
  • Řešení — závěrečný výpočet a interpretace výsledků

    Ze vztahů (1) a (2) uvedených v předcházejících oddílech řešení vyplývá, že

    φ(r)=PE(r).

    Uvnitř koule dostáváme

    φ(r)=Pr3ε0.

    Elektrickou intenzitu pole uvnitř koule můžeme vypočítat jako záporně vzatý gradient. Vzhledem k tomu, že vektor P je konstantní, je

    (Pr)=P

    a pro intenzitu pole uvnitř homogenně polarizované koule Eint tedy platí

    Eint=φ=P3ε0.

    Vnitřní pole je tedy homogenní (neboť vektor P je konstantní) a vektor intenzity má stejný směr a opačnou orientaci než vektor polarizace.

    Vně koule dostáváme

    φ(r)=Pr3ε0R3r3.

    Pokud použijeme vztah pro celkový dipólový moment koule

    p=koulePdV=PV=P43πR3,

    můžeme vztah pro potenciál upravit na tvar

    φ(r)=pr4πε0r3,

    z čehož vyplývá, že pole vně koule je stejné jako pole ideálního dipólu umístěného v jejím středu s dipólovým momentem p=PV.

  • Výsledky

    Uvnitř koule je homogenní pole, potenciál je určen vztahem

    φ(r)=Pr3ε0

    a pro intenzitu pole platí

    Eint=φ=P3ε0.

    Vně koule má pole charakter pole ideálního dipólu, potenciál je určen vztahem

    φ(r)=Pr3ε0R3r3=pr4πε0r3,

    kde p je celkový dipólový moment koule určený vztahem

    p=P43πR3.
  • Komentář – další možné způsoby výpočtu

    První způsob řešení je podrobně popsán v úloze: použijeme interpretace veličiny polarizace jako hustoty dipólů a potenciál elektrického pole počítáme integrací (podle principu superpozice) příspěvků elementárních dipólů v kouli. Získaný integrál počítáme trikem pomocí Gaussovy věty. Tento integrál lze ale určit také přímým výpočtem.

    Druhý způsob je založen na jiné myšlence: neutrální kouli si představíme jako superpozici koule kladně nabité a koule záporně nabité, které se překrývají. Její homogenní polarizaci interpretujeme jako malé posunutí d kladné koule vůči záporné kouli tak, aby pro celkový dipólový moment p = PV zároveň platilo p = Qd. (Ideální dipóly v jednotlivých místech koule tak vlastně nahrazujeme neideálními). Pole pak určíme podle principu superpozice jako součet polí obou nabitých koulí a provedeme „dipólový“ limitní přechod: d → 0 při zachování konstantního dipólového momentu p.

    Třetí způsob využívá možnost nahrazení objemové polarizace soustavou vázaných nábojů, které vytvářejí stejné pole. Podle explicitních vztahů určíme z vektoru polarizace hustotu povrchového a objemového vázaného náboje a jím vytvářené pole pak můžeme určit jinými metodami elektrostatiky. K tomu podotkněme, že přímočaré použití Gaussovy věty se nenabízí (situace není válcově ani sféricky symetrická) a přímá integrace příspěvků plošného náboje se zdá být elementárními metodami neproveditelná. Protože situace je symetrická vzhledem k otočení vůči ose procházející středem koule a mající směr vektoru polarizace (tzv. azimutální symetrie), lze využít sofistikovanějších technik, například obecného řešení Laplaceovy rovnice ve sférických souřadnicích za podmínky této symetrie. Podrobnosti lze najít například v učebnici D. J. Griffithse, Introduction to Electrodynamics, str. 138–139 a 142–144.

Úroveň náročnosti: Vysokoškolská úloha
Úloha vyžadující neobvyklý trik nebo nápad
Zaslat komentář k úloze