Условие
6.4.8∗. Плоский конденсатор изготовлен из двух лент ширины
Решение
Радиус
Сделаем рассуждения по возможности точными: рулонный конденсатор (рулон) рассмотрим как множество цилиндрических конденсаторов (см. задачу
Емкость рулона
Емкость
складывается из емкостей элементов цилиндрических конденсаторов (они соединены параллельно) с расстоянием между обкладками. Емкость
аналогично складывается из емкостей элементов цилиндрических конденсаторов, но с расстоянием между обкладками.
Начнем с вычисления емкости
Представим произвольный цилиндрический конденсатор с толщиной
Величина
Для удобства дальнейшего интегрирования обозначим
После этих замен интегрирование
Таким образом, нужно найти интеграл
(Определенный интеграл будет удобней, как выяснится позже.)
Введем временную переменную
к удобному для интегрирования виду через разложение в ряд логарифма:
Нужно избавиться от ряда в знаменателе. Будем использовать формулу геометрической прогрессии
Выделим в нашей функции выражение вида
и далее
Так как
Вот эту функцию уже можем интегрировать по
Рулон представляем как свиток, где
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
Так как
Тогда емкость одного конденсатора для этой задачи переписывается:
Заметим, что можно записать и короче
где
Емкость рулона:
откуда в силу равенства
У Савченко ответ другой:
В этом решении считаем, что Савченко под
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
а это приводит к ответу
Литература
[1] Борисов В.Г., Отряшенков Ю.М. Юный радиолюбитель. 1966. C. 111.
[2] С. М. Козел. Парадоксы плоского конденсатора. «Квант», 1985, №8.
[4] "Принципы и практика решения задач по общей физике". Ч.2: Электромагнетизм. А.Н. Паршаков. Изд. 2010 г (стр.104–107).