1. Главная
  2. Библиотека
  3. Физика
  4. Электрическое поле создано зарядом тонкого равномерно з...
Решение задачи на тему

Электрическое поле создано зарядом тонкого равномерно заряженного стержня, изогнутого под прямым углом. Длина каждой стороны угольника 20 см. Линейная плотность зарядов равна 500 нКл/м. Вычислить напряженность поля на середине гипотенузы воображаемого

  • Физика
  • #Электричество и магнетизм
  • #Общая физика: механика, термодинамика, электродинамика
Электрическое поле создано зарядом тонкого равномерно заряженного стержня, изогнутого под прямым углом. Длина каждой стороны угольника 20 см. Линейная плотность зарядов равна 500 нКл/м. Вычислить напряженность поля на середине гипотенузы воображаемого

Условие:

Электрическое поле создано зарядом тонкого равномерно заряженного стержня, изогнутого под прямым углом.
Длина каждой стороны угольника 20 см. Линейная плотность зарядов равна 500 нКл/м. Вычислить
напряженность поля на середине гипотенузы воображаемого треугольника.

Решение:

Для решения задачи о напряженности электрического поля, созданного тонким равномерно заряженным стержнем, изогнутым под прямым углом, мы будем использовать принцип суперпозиции и и...

  • Длина каждой стороны угольника (стержня) L=20 см=0.2 мL = 20 \, \text{см} = 0.2 \, \text{м}
  • Линейная плотность заряда λ=500 нКл/м=500×10−9 Кл/м\lambda = 500 \, \text{нКл/м} = 500 \times 10^{-9} \, \text{Кл/м}

Середина гипотенузы воображаемого треугольника будет находиться на расстоянии L2\frac{L}{\sqrt{2}} от каждой из сторон, так как гипотенуза равнобедренного треугольника делит его на две равные части.

Напряженность электрического поля dEdE от элемента заряда dqdq на расстоянии rr от него определяется по формуле:

dE=14πε0⋅dqr2 dE = \frac{1}{4\pi \varepsilon_0} \cdot \frac{dq}{r^2}

где ε0\varepsilon_0 — электрическая постоянная, равная 8.85×10−12 Ф/м8.85 \times 10^{-12} \, \text{Ф/м}.

Элемент заряда dqdq можно выразить через линейную плотность заряда:

dq=λ dx dq = \lambda \, dx

где dxdx — малый элемент длины стержня.

Для каждой стороны стержня (по оси xx и по оси yy) напряженность будет направлена в сторону середины гипотенузы. Мы будем интегрировать от 0 до LL:

  1. :
E0L14πε0⋅λ dx(L2)2 E0^L \frac{1}{4\pi \varepsilon_0} \cdot \frac{\lambda \, dx}{\left(\frac{L}{\sqrt{2}}\right)^2}
  1. :
E0L14πε0⋅λ dy(L2)2 E0^L \frac{1}{4\pi \varepsilon_0} \cdot \frac{\lambda \, dy}{\left(\frac{L}{\sqrt{2}}\right)^2}

Подставим значения в интегралы:

Ey = \int0} \cdot \frac{\lambda}{\left(\frac{L}{\sqrt{2}}\right)^2} \, dx
=λ4πε0⋅1(L2)2⋅L = \frac{\lambda}{4\pi \varepsilon_0} \cdot \frac{1}{\left(\frac{L}{\sqrt{2}}\right)^2} \cdot L
=500×10−94π⋅8.85×10−12⋅1(0.22)2⋅0.2 = \frac{500 \times 10^{-9}}{4\pi \cdot 8.85 \times 10^{-12}} \cdot \frac{1}{\left(\frac{0.2}{\sqrt{2}}\right)^2} \cdot 0.2

Теперь вычислим:

  1. (0.22)2=0.042=0.02\left(\frac{0.2}{\sqrt{2}}\right)^2 = \frac{0.04}{2} = 0.02
  2. 10.02=50\frac{1}{0.02} = 50
  3. 500×10−94π⋅8.85×10−12≈4.5×104\frac{500 \times 10^{-9}}{4\pi \cdot 8.85 \times 10^{-12}} \approx 4.5 \times 10^{4}

Теперь подставим:

Ey≈4.5×104⋅50≈2.25×106 Н/Кл Ey \approx 4.5 \times 10^{4} \cdot 50 \approx 2.25 \times 10^{6} \, \text{Н/Кл}

Общая напряженность электрического поля EE будет равна:

E=Ey2=(2.25×106)2+(2.25×106)2=2.25×1062≈3.18×106 Н/Кл E = \sqrt{Ey^2} = \sqrt{(2.25 \times 10^{6})^2 + (2.25 \times 10^{6})^2} = 2.25 \times 10^{6} \sqrt{2} \approx 3.18 \times 10^{6} \, \text{Н/Кл}

Напряженность электрического поля на середине гипотенузы равна примерно 3.18×106 Н/Кл3.18 \times 10^{6} \, \text{Н/Кл}.