11.2.18∗. На поверхности длинного сплошного непроводящего цилиндра радиуса $r$ равномерно распределен заряд, поверхностная плотность которого $\sigma$. Внешнее однородное магнитное поле индукции $B_0$ направлено вдоль оси цилиндра. Определите угловую скорость вращения цилиндра после «выключения» внешнего поля. Плотность вещества цилиндра $\rho$.
Решение
При "выключении" магнитного поля мы уменьшаем магнитный поток, что приводит к возникновению вихревого электрического поля $E$. Из за этого возникает сила Лоренца $F_L=qE$, двигающая заряды на поверхности. Если бы цилиндр был проводящим, то по его поверхности при движении зарядов тёк бы ток. А наш непроводящий цилиндр движется вместе с зарядами.
Важно, что заряды при движении создают собственное магнитное поле, которым, например, в задаче $11.2.14$ мы принебрегали.
Цилиндр длинный, значит влиянием зарядов на торцах можно пренебречь.
Мысленно поделим цилиндр на диски толщиной $dh$. Рассчитаем основные характеристики такого диска: $$m=\rho \cdot \pi r^2 dh$$ $$J=\frac{mr^2}{2}=\frac{1}{2}\rho \cdot \pi r^4 dh\tag{1}$$ Выделим на краю кольца элементарный заряд $$dq=\sigma dS=\sigma r dh d\varphi$$ Тогда если кольцо вращается с угловой скоростью $\omega$ то возникает ток $$I=\frac{dq}{dt}=\frac{d\varphi}{dt}\frac{dq}{d\varphi}=\omega \sigma r dh \tag{2}$$ Полный заряд на краях кольца $$q=\int_0^{2\pi}\sigma r dh d\varphi=2\pi r\sigma dh\tag{3}$$ Найдем вихревое электрическое поле $$\int Edl=-\frac{d\Phi}{dt}=-\frac{dB}{dt}S$$ $$E=-\frac{S}{l}\frac{dB}{dt}=-\frac{r}{2}\frac{dB}{dt}\tag{4}$$ Суммарный момент сил Лоренца, действующих на кольцо, равен $$\sum M_L=qEr=J\frac{d\omega}{dt}\tag{5}$$ $$-2\pi r\sigma dh\frac{r}{2}\frac{dB}{dt}r=\frac{1}{2}\rho \cdot \pi r^4 dh\frac{d\omega}{dt}$$ Сократив все что можно, получаем $$-2\sigma dB=\rho r d\omega\tag{6}$$ Теперь найдем собственное магнитное поле вращающегося цилиндра. Можно заметить, что он очень похож на соленоид, причем с бесконечным количеством очень маленьких витков. Поэтому рассуждения будут аналогичными идеальному соленоиду: внутри поле однородно, снаружи отсутствует. Согласно теореме Стокса $$B'dh=\mu_0I$$ $$B'=\mu_0\omega\sigma r$$ Тогда $$B=B_0+\mu_0\omega\sigma r\tag{7}$$ С учётом этого перепишем 6: $$-2\sigma d(B_0+\mu_0\omega\sigma r)=\rho r d\omega$$ $$-2\sigma dB_0=\rho r d\omega+2\mu_0\sigma^2 rd\omega\tag{8}$$ И интегрируя все это $$\int_0^{\omega}d\omega=-\frac{2\sigma}{r(\rho + 2\mu_0\sigma^2)}\int_{B_0}^0dB_0$$ $$\omega =\frac{2\sigma B_0}{r(\rho + 2\mu_0\sigma^2)}$$