Prawo Gaussa — zadanie: strumień przez sześcian w niejednorodnym polu
Sześcian o krawędzi a = 0,20 m ma ściany prostopadłe do osi układu. Lewa ściana leży przy x = 0,10 m, prawa przy x = 0,30 m. Pole ma jedynie składową Eₓ = E₀ + βx, gdzie E₀ = 100 V/m i β = 500 V/m². Przyjmij ε₀ = 8,85·10⁻¹² F/m.
a) Oblicz strumienie przez każdą ścianę i ich sumę. b) Wyznacz zamknięty ładunek. c) Przesuń sześcian o 0,40 m w dodatnim kierunku x. Czy strumień netto i zamknięty ładunek się zmienią?
Pokaż rozwiązanieUkryj rozwiązanie
W tym zadaniu
Wskazówka
Na każdej ze ścian prostopadłych do x pole jest stałe, ale inne na lewej i prawej. Uwzględnij przeciwne normalne. Pozostałe cztery wkłady są zerowe.
Rozwiązanie
1. Normalna ustala znak
Pole ściany to a² = 0,040 m². Po lewej Eₓ = 150 V/m, po prawej 250 V/m. Normalna lewej ściany jest przeciwna do pola, a prawej zgodna:
\Phi_{\mathrm{lewa}}=-150\cdot0{,}040=-6{,}0\ \mathrm{V\,m},
\Phi_{\mathrm{prawa}}=250\cdot0{,}040=10{,}0\ \mathrm{V\,m}.
Na czterech pozostałych ścianach pole jest styczne i iloczyn skalarny wynosi zero. Nie mnożymy 250 V/m przez pole wszystkich ścian.
2. Ładunek z sumy strumieni
\Phi_E=-6{,}0+10{,}0=4{,}0\ \mathrm{V\,m}.
Q_{\mathrm{wew}}=\varepsilon_0\Phi_E=3{,}54\cdot10^{-11}\ \mathrm C=35{,}4\ \mathrm{pC}.
Ładunek jest dodatni, ponieważ więcej strumienia wychodzi niż wchodzi. Jednostki: (F/m)·(V·m) = F·V = C.
3. Przesunięcie zmienia oba wkłady
Nowe ściany leżą przy 0,50 m i 0,70 m. Pole wynosi 350 i 450 V/m, więc wkłady to −14,0 i +18,0 V·m. Suma nadal wynosi 4,0 V·m, a ładunek 35,4 pC.
\Phi_E=[E_x(x+a)-E_x(x)]a^2=\beta a^3.
Stały składnik E₀ i położenie początku znikają z różnicy. Gęstość ładunku wynosi ρ = ε₀β = 4,425·10⁻⁹ C/m³. Pomnożenie przez objętość 0,0080 m³ niezależnie daje 35,4 pC. Niezmienność wynika z liniowej zależności Eₓ od x; dla dowolnego pola nie musi zachodzić.
Powiązana teoria
Strumień elektryczny i prawo Gaussa: co wynika z symetrii?
Dalsza lektura
Najpierw spróbuj samodzielnie. Zapisz dane, wybierz prawa fizyczne i sprawdź jednostki. Przejdź do zadań ze sprawdzaniem odpowiedzi »
← Wróć do działu: Zadania Do góry ↑
Komentarze (0)
Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.
RSS komentarzy · Powiadomienia e-mail
Dodaj komentarz
Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto