Нажмите "Enter" для перехода к содержанию

Какова напряженность электрического поля в точке, находящейся на оси тонкого кольца радиусом 10 см, в котором

Какова напряженность электрического поля в точке, находящейся на оси тонкого кольца радиусом 10 см, в котором равномерно распределен заряд 20 нкл, на расстоянии 20 см от его центра?

Ответ:

Для решения этой задачи, мы используем формулу для расчета напряженности электрического поля от неподвижного точечного заряда:

E = k * (q / r^2)

где E — напряженность электрического поля в точке, k — постоянная Кулона (k ≈ 8.99 * 10^9 Н * м^2 / Кл^2), q — заряд, r — расстояние от заряда до точки измерения.

Так как кольцо имеет радиус r0 = 10 см = 0.1 м, и заряд равномерно распределен, то каждый элемент кольца имеет заряд dq = q / N, где N — количество элементов кольца. Каждый элемент кольца можно представить как точечный заряд, расположенный на окружности радиусом r0.

Мы можем заменить это кольцо множеством точечных зарядов и выразить напряженность электрического поля, происходящего от всех этих точечных зарядов:

Е = k * ∑ (dq / r^2)

где ∑ — сумма всех точечных зарядов.

Сумма всех точечных зарядов равна исходному заряду q. Используя формулу для длины окружности, можно выразить dq через r0 и dφ:

dq = q * dφ / (2πr0)

где dφ — малый угол, на который наклонен dφ-й элемент кольца.

Так как нас интересует только поле на оси кольца, мы можем выразить dφ через r, r0 и расстояние x от центра кольца до точки измерения на оси:

r = √(r0^2 + x^2)
dφ = r0 / r

Теперь мы можем выразить dq через r, r0 и x:

dq = q * (r0 / r) / (2πr0)
dq = q / (2πr)

Суммируя все значения для dq и заменяя их в формуле для E, получим:

E = k * ∑ (dq / r^2)
E = k * ∑ (q / (2πr) / r^2)
E = k * q / (2π) * ∑ (1 / r^3)

Так как расстояние r от каждого элемента кольца до точки измерения на оси одинаков, ∑ (1 / r^3) равно N / r^3, где N — количество элементов кольца. Тогда формула для E упрощается:

E = k * q / (2π) * N / r^3

Теперь мы можем выразить все известные значения и решить задачу:

k = 8.99 * 10^9 Н * м^2 / Кл^2 (постоянная Кулона)
q = 20 нкл = 20 * 10^(-9) Кл (заряд кольца)
N = ?
r0 = 10 см = 0.1 м (радиус кольца)
x = 20 см = 0.2 м (расстояние от центра кольца до точки измерения на оси)
r = √(r0^2 + x^2) (расстояние от элемента кольца до точки измерения на оси)
E = ?

Вычислим r:

r = √(0.1^2 + 0.2^2) = √(0.01 + 0.04) = √0.05 = 0.2236 м

Теперь вычислим E:

E = k * q / (2π) * N / r^3

Для расчета N, мы делим заряд кольца на заряд элемента кольца:

N = q / dq
N = q / (q / (2πr))
N = 2πr

Теперь можем вычислить E:

E = k * q / (2π) * N / r^3
E = 8.99 * 10^9 Н * м^2 / Кл^2 * (20 * 10^(-9) Кл) / (2π) * (2π * 0.2236 м) / (0.2236 м^3)
E = 8.99 * 10^9 * 20 * 10^(-9) / 0.2236^2 Н / Кл * м / м^2
E = 807,637,633.6 Н / Кл * м / м^2

Ответ: Напряженность электрического поля в точке, находящейся на оси тонкого кольца радиусом 10 см, в котором равномерно распределен заряд 20 нкл, на расстоянии 20 см от его центра, равна приблизительно 807,637,633.6 Н / Кл * м / м^2.