6.3.7. Сфера радиуса $R$ имеет заряд $Q$. Чему равен потенциал поля в центре сферы? Зависит ли потенциал в центре сферы от распределения зарядов на сфере? Зависит ли потенциал поля на поверхности сферы от распределения заряда по сфере?
Решение
В условии строго сказано, что заряд находится «на сфере», а не «в шаре». Это означает, что мы рассматриваем именно поверхностное распределение заряда.
Разобьем полный заряд $Q$ на элементарные точечные заряды $dq$, расположенные на сфере.
1. Потенциал в центре сферы
Потенциал, создаваемый каждым элементом $dq$ в центре сферы, равен: $$dV = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \frac{dq}{R}$$
Так как для любой точки на поверхности сферы расстояние до ее геометрического центра строго равно радиусу $R$, эту величину можно вынести как константу за знак интеграла при подсчете полного потенциала: $$V(0) = \int dV = \int \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \frac{dq}{R} = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0 R} \int dq = \frac{Q}{4\pi\varepsilon_0 R}$$
Поскольку расстояние от любого элемента $dq$ до центра всегда одинаково, потенциал в центре равен $\frac{Q}{4\pi\varepsilon_0 R}$ и не зависит от того, как именно (равномерно или кусками) распределен заряд по поверхности.
2. Потенциал поля на поверхности сферы
Потенциал в любой выбранной точке на поверхности сферы равен сумме потенциалов, создаваемых всеми остальными элементарными зарядами $dq$ этой сферы. То есть $V = \int \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \frac{dq}{r}$, где $r$ — расстояние от рассматриваемой точки до элемента $dq$ (не совпадающего с самой этой точкой). При перераспределении зарядов по сфере эти расстояния $r$ будут меняться. Следовательно, изменится значение интеграла, а значит, и итоговый потенциал.
Ответ
$$V(0) = \frac{Q}{4\pi\varepsilon_0 R}$$ Не зависит; зависит.