11.6.12∗. Плоский изолированный конденсатор, пластины которого — параллельные металлические круги радиуса $r_0$, заполнен веществом, исключая центральную цилиндрическую область радиуса $r$. Конденсатор разряжается через это вещество. Ток разрядки равен $I$. Определите зависимость индукции магнитного поля внутри конденсатора от расстояния до оси конденсатора. Постройте график этой зависимости.
К задаче $11.6.12$
Решение
Из обобщённой теоремы о циркуляции: $$\oint Bdl = \mu_0 I_{пр} + \mu_0 I_{см}$$ Начнём с области, где $0\leq x < r$. Из-за отсутсвия вещества ток проводимости равен нулю. Поэтому в этом случае теорема о циркуляции выглядит: $$\oint Bdl = \mu_0 I_{см}$$ Найдёи взаимосвязь с током смещения и сумарным током. Из теоремы Гаусса: $$E \cdot \pi x^2 = \frac{q}{\varepsilon_0} \quad \Rightarrow \quad q = E \cdot \pi\varepsilon_0 x^2$$ Изменение этого заряда со временем есть ток смещения: $$I_{см} = \frac{dq}{dt} = \pi\varepsilon_0 x^2 \frac{dE}{dt}$$ Если $x = r_0$, тогда $I_{см} = I$, и получается связь: $$I_{см} = \frac{x^2}{r_0^2}I$$ Магнитное поле циркулирует по окружности, поэтому: $$B(x) \cdot 2\pi x = \mu_0 \frac{x^2}{r_0^2}I$$ Получаем зависимость индукции от растояния до оси конденсатора при $0\leq x \leq r$: $$B(x) = \frac{\mu_0I}{2\pi r_0^2}x$$ При $r < x \leq r_0$: $$B(r)\cdot 2\pi x = \mu_0 I \quad \Rightarrow \quad B(x) = \frac{\mu_0I}{2\pi x}$$ Максимальное значение индукции: $$B_0 = \frac{\mu_0Ix}{2\pi r_0^2}$$ График:
К задаче $11.6.12$
Ответ
$$B(x) = \frac{\mu_0I}{2\pi r_0^2}x \quad при \quad 0\leq x \leq r$$ $$B(x) = \frac{\mu_0I}{2\pi x} \quad при \quad r < x \leq r_0$$