Решение до правки #16177 от , автор igor. Это не текущая версия.

Условие

6.4.8∗. Плоский конденсатор изготовлен из двух лент ширины и длины . Расстояние между лентами . Определите емкость конденсатора, если его свернуть в многовитковый рулон радиуса .

Решение

Радиус рулона обычно считается внешним, а рулон является сплошным [1].

Сделаем рассуждения по возможности точными: рулонный конденсатор рассмотрим как множество цилиндрических конденсаторов с плавно меняющимся радиусом, учтем емкость зазора между основными слоями.

Выделим произвольный цилиндрический конденсатор на расстоянии от оси рулона (см. задачу ). Умножение емкости этого конденсатора на малое приращение количества таких конденсаторов даст элементарную емкость рулонного конденсатора (рулона):

Величина удобно выражается через приращение расстояния от оси рулона:

Для удобства дальнейшего интегрирования обозначим

Теперь емкость рулона переписывается:

Таким образом, нужно найти интеграл

$$

$$

Рулон представляем как свиток, где есть его внутренний радиус, как это предложено в задаче с решением в аналогичной постановке в пособии [1]. Полями и емкостями в зазорах между основными слоями пренебрегаем [2]. Разрежем мысленно рулон вдоль радиуса.

Мы получили как бы множество цилиндрических конденсаторов, соединенных параллельно (сумма их емкостей есть емкость рулона).

Пронумеруем цилиндрические конденсаторы (кратко — конденсаторы), начиная с внутреннего (радиус которого ):

Выберем -й конденсатор с внутренним радиусом и, используя результат решения предыдущей задачи , запишем его емкость

Так как , разложим логарифм в ряд до первого члена

Тогда емкость одного конденсатора для этой задачи переписывается:

Заметим, что можно записать и короче

где есть длина окружности основания, накотором стоит -й конденсатор.

Емкость рулона:

откуда в силу равенства следует

У Савченко ответ другой: .

В этом решении считаем, что Савченко под подразумевал именно внутренний радиус рулона. Если это так, то расстояние зазора между основными слоями найти не получается. Если считать, что радиус есть внешний радиус, то можно найти расстояние зазора и учесть емкость зазора.

Комментарии к решению из [1]

Решение аналогичной задачи из пособия [1] непоследовательно, что дает разные ответы. Вот отрывок конца этого решения.

Некорректность появилась ранее. Авторы до этого нашли предел интегрирования (конечный угол) по формуле

не учитывают многовитковость. Хотя до этого они получили точную связь радиуса и угла

Таким образом, есть два варианта

  • не забывать про многовитковость;

  • везде полагать, что витков не так много и радиус сохраняется (что не подходит к формулировке задачи).

И вот, что получается. Элементарную емкость авторы пишут как

но заметим, что , так что

а это приводит к ответу .

Литература

[1] Борисов В.Г., Отряшенков Ю.М. Юный радиолюбитель. 1966. C. 111.

[1] "Принципы и практика решения задач по общей физике". Ч.2: Электромагнетизм. А.Н. Паршаков. Изд. 2010 г (стр.104–107).

[2] С. М. Козел. Парадоксы плоского конденсатора. «Квант», 1985, №8.

Ответ