The solution at revision #20787 of , by igor. This is not the current version.

Условие

7.2.9. Тонкий параллельный пучок заряженных частиц, ускоренных разностью потенциалов , проходит через центр равномерно заряженной сферической полости. На каком расстоянии сфокусируется этот пучок, если потенциал в центре сферы ?

Решение

В данном решении задача рассматривается в строгом соответствии с текстом условия: модель представляет собой равномерно заряженную пустую сферическую оболочку, весь заряд которой сосредоточен на поверхности, с двумя небольшими отверстиями для пролета пучка.

К решению $7.2.9$
К решению

1. Физическая модель и принцип суперпозиции
Поскольку , изменение продольной кинетической энергии пучка пренебрежимо мало (). Скорость частиц вдоль оси можно считать постоянной. Кроме того, учитывая огромную скорость пучка и традиционные допущения подобных задач, мы пренебрегаем влиянием внешнего рассеивающего поля на больших расстояниях от сферы, фокусируя внимание только на резких локальных «толчках» поля непосредственно в отверстиях (эффект апертурной линзы).
Для строгого расчета локальных полей применим принцип суперпозиции. Представим реальную оболочку с двумя отверстиями как наложение двух идеальных систем:

  1. Идеальная сплошная заряженная сфера с поверхностной плотностью .
  2. Два «виртуальных» диска с плотностью заряда , расположенных строго в местах входного и выходного отверстий.
    Внутри идеальной сплошной сферы электрическое поле строго равно нулю. Следовательно, всё фокусирующее поперечное поле внутри полости вблизи отверстий создается исключительно этими двумя виртуальными дисками с зарядом .

2. Первый поперечный импульс на входе
Пусть частица летит на расстоянии от оси симметрии пучка (). Найдем поперечный импульс, полученный от локального поля первого отверстия.
Выделим малый гауссов цилиндр радиуса и толщиной , охватывающий только саму область входного отверстия. В рамках нашей математической модели суперпозиции внутри этого цилиндра находится заряд виртуального диска, по модулю равный . Отрицательный знак этого эффективного заряда означает, что поле направлено к оси (создает фокусирующий эффект).
По теореме Гаусса поток вектора напряженности через боковую поверхность этого цилиндра:

Отсюда интеграл поперечного поля в зоне локального отверстия:

Поперечный импульс, который частица приобретает, пробивая это локальное поле:

3. Проверка фокусировки внутри полости
Получив первый поперечный импульс, частица летит вглубь полости, приобретя поперечную скорость , направленную к оси пучка.
Время долета до оси равно . Фокусное расстояние после первого отверстия :

Кинетическая энергия задается ускоряющим напряжением: .
Потенциал сферы , откуда .
Подставляем в :

Так как , то . Пучок летит слишком быстро и не успевает сфокусироваться внутри полости, достигая выходного отверстия практически на том же расстоянии от оси.

4. Второй импульс и итоговое фокусное расстояние
Пролетая выходное отверстие, частица пересекает локальное поле второго виртуального диска () и получает аналогичный поперечный импульс, направленный к оси:

Полный поперечный импульс после вылета:

Итоговое фокусное расстояние всей системы:

Подставляя и , получаем окончательный ответ для пустой сферической оболочки:


5. Строгий расчет для альтернативной модели (сплошной шар)

В официальном задачнике приведен ответ . Этот ответ не только относится к другой физической модели (сплошной заряженный шар, простреливаемый насквозь, вместо полой оболочки), но и содержит грубую ошибку. Выведем точный ответ для сплошного шара.

Если пучок проходит от до сквозь сплошной заряженный шар с объемной плотностью , необходимо учесть действие поля на всем пути (как внутри, так и снаружи шара). Выделим бесконечную гауссову цилиндрическую трубку тока малого радиуса , коаксиальную с пучком. Внутри этой трубки заряд находится только в пределах самого шара (на отрезке ).
Заряд внутри трубки: .
Применяя теорему Гаусса к этой бесконечной трубке, получаем точный интеграл поперечного поля:

Полный поперечный импульс, получаемый частицей:

Фокусное расстояние для сплошного шара (через плотность ):
спл

Теперь необходимо строго выразить потенциал в центре сплошного шара через . Для этого проинтегрируем радиальное поле от бесконечности до центра:
Вне шара ():
Внутри шара ():


Отсюда выражаем плотность: .
Подставляем в формулу (1):
спл

(Авторы задачника получили неверный коэффициент 0.5 исключительно потому, что на последнем этапе вместо потенциала шара ошибочно использовали формулу разности потенциалов для бесконечного сплошного цилиндра ).

Альтернативное решение

Используем прием задачи для вычисления поперечного приобретенного импульса . Поле осесимметрично, заряд движется на расстоянии от оси симметрии.

Имеем

где есть продольная скорость (вдоль оси симм. поля), есть минимальное расстояние между частицей и центром шара, есть заряд участка шара, вырезанного цилиндром радиуса .

Скорость по связи

Объемная зарядовая плотность шара

Фокусное расстоние

Совмещая это все, получаем

В ответе задачника 2008 г. просто мат. опечатки.

Литература

[0] Савченко О.Я. Задачи по физике. 2008 (1981).

Ответ

Для сферической полости:

Для сплошного шара:
Примечание: Ответ в самом задачнике получен из-за ошибочного применения формулы потенциала бесконечного цилиндра к сплошному шару.