v2.0.9794.34739
Fizyka dla każdego
Pole elektryczne i magnetyczne — prawa całkowe · 1 min czytania

Naładowana kula — zadanie: gęstość rośnie z odległością od środka

Opublikowano: 25.10.2026
Wyślij link e-mailem Własna poczta Komentarze: 0

Oceń ten artykuł: od 1 do 5 gwiazdek
(0 głosów) . Jeszcze nie oddano głosów.

Kliknij gwiazdkę, aby od razu oddać ocenę. Klawiaturą wybierz gwiazdkę klawiszem Tab i naciśnij Enter lub spację. Jeden głos na materiał z danej przeglądarki.

W kuli o promieniu R = 0,20 m nieruchomy ładunek ma gęstość ρ(r) = ρ₀r/R, gdzie ρ₀ = 30 nC/m³. Na zewnątrz nie ma ładunku ani osobnej warstwy powierzchniowej na granicy. Pomijamy polaryzację. Przyjmij ε₀ = 8,85·10⁻¹² F/m, k = 1/(4πε₀) i V(∞) = 0.

a) Znajdź Qwew(r) i całkowite Q. b) Wyprowadź Eᵣ wewnątrz i na zewnątrz. c) Oblicz Eᵣ(R/2), Eᵣ(R) oraz V(0). Czy V(0)/V(R) nadal wynosi 3/2?

Pokaż rozwiązanieUkryj rozwiązanie
Wskazówka

Cienka powłoka o promieniu s ma objętość 4πs² ds, a gęstość na niej to ρ₀s/R. Potencjał środka jest sumą V(R) oraz całki pola od 0 do R.

Rozwiązanie

1. Całkowanie po powłokach

Q_{\mathrm{wew}}(r)=\frac{4\pi\rho_0}{R}\int_0^r s^3\,ds=\frac{\pi\rho_0r^4}{R}.

Q=\pi\rho_0R^3\approx0{,}754\ \mathrm{nC}.

Średnia gęstość wynosi 3ρ₀/4. Użycie gęstości na brzegu dla całej objętości zawyżyłoby Q.

2. Pole z zamkniętego ładunku

E_r=\frac{\rho_0r^2}{4\varepsilon_0R}\quad(r\lt R),

E_r=\frac{\rho_0R^3}{4\varepsilon_0r^2}\quad(r>R).

Obie granice przy r = R dają ρ₀R/(4ε₀) ≈ 169,49 V/m. W połowie promienia pole wynosi 42,37 V/m, jedną czwartą wartości powierzchniowej. Dla jednorodnej gęstości byłaby to połowa. Niezerowa gęstość objętościowa przy brzegu nie jest osobną warstwą powierzchniową.

3. Potencjał środka

Potencjał powierzchni to kQ/R = ρ₀R²/(4ε₀) ≈ 33,90 V. Dodajemy przyrost do środka:

V(0)=\frac{\rho_0R^2}{4\varepsilon_0}+\int_0^R\frac{\rho_0r^2}{4\varepsilon_0R}\,dr.

V(0)=\frac{\rho_0R^2}{3\varepsilon_0}\approx45{,}20\ \mathrm V.

Stosunek wynosi 4/3, nie 3/2. Współczynnik 3/2 był cechą jednorodnego rozkładu, a nie każdej kuli. Symetria upraszcza geometrię, lecz nie zastępuje informacji o radialnym profilu gęstości.

Powiązana teoria

Naładowana kula: pole i potencjał w izolatorze oraz przewodniku

Dalsza lektura

Materiał referencyjny

Najpierw spróbuj samodzielnie. Zapisz dane, wybierz prawa fizyczne i sprawdź jednostki. Przejdź do zadań ze sprawdzaniem odpowiedzi »

Ostatnie materiały autora

Wszystkie materiały autora »

Komentarze (0)

Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.

Dodaj komentarz

Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto

Emotikony

Zaznacz tekst i wybierz formatowanie lub użyj Ctrl/Cmd+B, I, U w polu komentarza. Znaczniki HTML nie są wykonywane.

Wybór wszystkich komentarzy obejmuje odpowiedzi. Powiadomienia wymagają potwierdzenia adresu; zrezygnujesz z nich przez link w wiadomości.

← Wróć do działu: Zadania Do góry ↑
Nie znalazłeś szukanego materiału? Napisz do nas — pomóż nam rozwijać Fizykę dla każdego.