Filtr seznamu úloh?
Škály
Štítky
«
«
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.

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 d→p,=→PdV′.
Nápověda 2
Pro potenciál pole elementárního dipólu →p, umístěného v bodě →r, platí
φ(→r)=14πε0→p,⋅(→r−→r,)|→r−→r,|3.Nápověda 3
Potenciál pole homogenně polarizovaného materiálu napište jako integrál přes příspěvky elementárních dipólů d→p,=→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)=14πε0→p,⋅(→r−→r,)|→r−→r,|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 d→p,=→PdV,. Potenciál určíme integrací přes jednotlivé příspěvky, platí tedy
φ(→r)=14πε0∫koule→P⋅(→r−→r,)|→r−→r,|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|3a protože vektor →P je konstantní, lze jej vytknout před integrál
φ(→r)=→P⋅(14πε0∫koule(→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)=14πε0∫koule(→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
∮S→E⋅d→S=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)=14πε0r2⋅ϱ⋅43πR3=13ε0R3r2a pro r < R dostáváme
E(r)=14πε0r2⋅ϱ⋅43πr3=13ε0r.Vektorově tedy dostáváme
→E(→r)=E(r)⋅→rr,uvnitř koule
→E=13ε0→r,vně koule
→E=R33ε0r3→r.Řešení — závěrečný výpočet a interpretace výsledků
Ze vztahů (1) a (2) uvedených v předcházejících oddílech řešení vyplývá, že
φ(→r)=→P⋅→E(→r).Uvnitř koule dostáváme
φ(→r)=→P⋅→r3ε0.Elektrickou intenzitu pole uvnitř koule můžeme vypočítat jako záporně vzatý gradient. Vzhledem k tomu, že vektor →P je konstantní, je
∇(→P⋅→r)=→Pa 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)=→P⋅→r3ε0R3r3.Pokud použijeme vztah pro celkový dipólový moment koule
→p=∫koule→PdV′=→PV′=→P⋅43πR3,můžeme vztah pro potenciál upravit na tvar
φ(→r)=→p⋅→r4πε0r3,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)=→P⋅→r3ε0a pro intenzitu pole platí
→Eint=−∇φ=−→P3ε0.Vně koule má pole charakter pole ideálního dipólu, potenciál je určen vztahem
φ(→r)=→P⋅→r3ε0R3r3=→p⋅→r4πε0r3,kde →p je celkový dipólový moment koule určený vztahem
→p=→P⋅43πR3.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.