The solution at revision #19938 of , by Valter. This is not the current version.

Условие

7.4.10∗. Скорости трёх заряженных частиц массы m изображены на рисунке. Расстояние от каждой частицы до ребра металлического двугранного угла d. Заряды первых двух частиц, летящих в противоположных направлениях, равны –q, заряд третьей частицы q. Определите скорость этих частиц на большом расстоянии друг от друга.

К задаче $7.4.10$
К задаче

Решение

1. Физическая модель и метод электростатических изображений

В задачах подобного класса по умолчанию предполагается, что металлические грани прямого угла уходят в бесконечность. Это позволяет пренебречь краевыми эффектами и считать всю поверхность угла строго эквипотенциальной с нулевым потенциалом (, привязанным к бесконечности).

Металлический двугранный угол занимает ровно одну четверть пространства. Три наших реальных заряда летят в оставшемся пустом пространстве. Чтобы учесть влияние индуцированных на металле зарядов, применим метод электростатических изображений: мысленно уберем металлический угол и заменим его такими фиктивными зарядами, чтобы потенциал на месте бывших стенок всё равно остался нулевым.

Здесь применяется изящная геометрическая хитрость: три исходных заряда уже образуют три вершины квадрата со стороной и диагональю . Чтобы занулить потенциал на границах угла, достаточно поместить всего один фиктивный заряд в пустующую четвертую вершину квадрата (в ту область, где находился металл).

Конфигурация из четырех зарядов по углам квадрата с чередующимися знаками () создает строго нулевой потенциал на своих средних линиях (осях симметрии, проходящих через середины противоположных сторон). Именно эти средние линии идеально совпадают с границами нашего металлического угла.

Согласно теореме единственности в электростатике, для однозначного определения поля достаточно обеспечить правильное граничное условие ( на стенках). Так как граница занулена, электрическое поле только в области реальных зарядов (в трех пустых квадрантах) будет абсолютно тождественно полю вакуумной конфигурации. Тот факт, что в воображаемой вакуумной модели потенциал за границей (в зоне фиктивного заряда) не равен нулю, не имеет значения — в реальности там находится толща проводника, электростатическое поле внутри которого строго равно нулю по определению.

2. Энергия электрического поля

Ключевое отличие реальной системы от вакуумного «квадрата» состоит в том, что в реальности электрическое поле существует только в трех свободных квадрантах пространства. Внутри идеального проводника (в четвертом квадранте) макроскопического электростатического поля нет.

Так как энергия локализована непосредственно в пространстве поля, а конфигурация полей в вакуумном эквиваленте полностью симметрична по четырем квадрантам, начальная энергия взаимодействия реальной системы составляет ровно от полной энергии вакуумной конфигурации :

Вычислим для четырех зарядов. Энергия складывается из взаимодействия по четырем сторонам квадрата (заряды разноименные, расстояние ) и двум диагоналям (заряды одноименные, расстояние ):

Тогда начальная электрическая энергия нашей реальной системы:

3. Кинематика и закон сохранения энергии

Принципиально важно: фиктивный заряд не обладает массой, это исключительно математический инструмент для расчета поля. Кинематика системы описывается строго для трех реальных частиц массой .

Из-за симметрии кулоновские силы, действующие на каждый из зарядов, направлены строго радиально к вершине угла. Частицы будут синхронно разлетаться, сохраняя форму растущего квадрата. На бесконечности потенциальная энергия поля обратится в нуль, а скорости всех трех частиц станут равны .

Запишем закон сохранения энергии:

Разделим уравнение на 3:


*Примечание: Разлет частиц на бесконечность возможен при условии, что начальная кинетическая энергия достаточна для преодоления кулоновского притяжения системы (подкоренное выражение ).*

Ответ

при

Альтернативное решение 1

Металлическая поверхность двугранного угла является эквипотенциальной поверхностью с потенциалом . Чтобы удовлетворить это условие можно заменить влияние индуцированных на металле зарядов одним фиктивным зарядом , расположенным в четвертом квадранте.

В точке нахождения заряда в первом квадранте потенциал создается: реальным зарядом из второго квадранта на расстоянии , реальным зарядом из третьего квадранта на расстоянии и и фиктивным зарядом на расстоянии :

В точке нахождения заряда во втором квадранте потенциал создается: двумя реальными зарядами на расстоянии каждый и фиктивным зарядом на расстоянии :

В точке нахождения заряда в третьем квадранте в силу симметрии потенциал в точности равен потенциалу, как у заряда из первого квадранта:

Энергия взаимодействия реальных зарядов с учетом наведенных на металле зарядов рассчитывается только по трем реальным зарядам. Фиктивный заряд в сумму не включается, так как он находится вне области интегрирования поля (внутри проводника), а его поле лишь математически моделирует поля зарядов, наведенных на угле:

здесь нумерация соответсвует номеру квадранта. Подставим знаки зарядов и знаки их потенциалов:

Закон сохранения энергии для трех частиц массы :


Отсюда:

Данное решение справедливо при условии, что начальной кинетической энергии достаточно для преодоления кулоновского притяжения, то есть при:

Альтернативное решение 2

Метод поля. В теории поля [1, 2, 3] электростатическая энергия зарядов равна энергии поля этих зарядов во всем пространстве:

где есть поле, создаваемое этими зарядами, а интеграл берется по всему пространству.

Из симметрии бесконечный металл вырезает четверть энергии во всем пространстве от той энергии, которую имеют четыре реальных заряда, если заряд-изображение в металле заменяем на реальный и металл убираем. Поэтому пишем для начальной электрической энергии системы с металлом

соб

где соб есть сумма собственных электрических энергий четырех зарадов (уединенный заряд сам по себе обладает энергией считаем [1, 2, 3]).

Для конечной электрической энергии системы

соб

так как одного заряда из четырех равных нет.

Закон сохранения энергии для системы с металлом :

Откуда:

Данное решение справедливо при условии, что начальной кинетической энергии достаточно для преодоления кулоновского притяжения, то есть при:

Примечание: работу поля над приповерхностными индуцированными зарядами в металле при их перераспределении мы не учитываем, потому что они даже уходя в глубь металла проходят пренебрежимо малое расстояние, то есть работа поля пренебрежимо мала над приповерхностными зарядами. Поле в приповерхностном слое перпендикулярно проводнику (см. также параграф 23 задачу 7 в [1]).

Литература

[1] Сивухин Д.В. Электричество. Общий курс физики. – 1983.

[2] Л. Ландау и Е. Лифшиц, Теория поля, Гостехиздат, 1948, § 37.

[3] Курс лекций по общей физике, Ч. III Электричество и магнетизм, Электростатика, изд-е второе. Крюков С.П. СУНЦ МГУ.

Ответ

при