Решение на момент правки #20862 от , автор Valter. Это не текущая версия.

Условие

6.3.15. а. Между двумя заземленными металлическими пластинами находится одинаковая с ним по размерам тонкая пленка с поверхностной плотностью заряда . Расстояние от нее до верхней пластины , до нижней ( и много меньше линейных размеров пластин). Найдите напряженность электрического поля вблизи верхней и нижней пластин. Определите поверхностную плотность заряда, индуцируемого на них.

б*. Между заземленными параллельными пластинами на расстоянии и от них находится заряд . Линейные размеры пластин много больше расстояния между ними. Докажите, что заряды, индуцируемые на заземленных пластинах, не изменятся, если заряд распределить по плоскости, лежащей между пластинами на том же расстоянии, что и заряд . Определите заряд пластин.

К задаче $6.3.15$
К задаче

Решение

Пункт а.

Пусть — поверхностная плотность заряда, индуцированного на внутренней поверхности верхней пластины, а — на нижней. Внешние поверхности заземленных пластин зарядов не несут, так как поле вне системы отсутствует. По теореме Гаусса для поверхности, охватывающей все три заряженные плоскости, суммарный заряд равен нулю:

Выберем ось , направленную от верхней пластины к нижней.

  • Напряженность поля под верхней пластиной:

  • Напряженность поля над нижней пластиной:

Так как обе пластины заземлены, разность потенциалов между ними равна нулю.

Решая систему из двух уравнений ( и ), находим плотности индуцированных зарядов:

Модули напряженности электрического поля вблизи пластин:

Пункт б.

Доказательство:

В силу того, что линейные размеры пластин много больше расстояний и , систему можно считать бесконечной. Если мы сместим точечный заряд горизонтально на любое расстояние, распределение индуцированного заряда на пластинах сместится вместе с ним, но полный интегральный заряд на каждой бесконечной пластине останется неизменным.

Согласно принципу суперпозиции, электрическое поле и индуцированные заряды от системы точечных зарядов равны сумме полей и зарядов от каждого заряда в отдельности. Разобьем заряд на множество элементарных зарядов и произвольно распределим их в плоскости на заданных расстояниях и .
Поскольку доля индуцируемого на пластине заряда зависит только от поперечных координат (расстояний и ) и не зависит от продольного смещения, каждый элемент индуцирует на верхней пластине заряд , где — постоянный коэффициент.
Суммируя по всем элементам, получаем:

Таким образом, полный индуцированный заряд зависит только от суммарного распределяемого заряда и расстояний до пластин, но не от характера его распределения в плоскости.

Определение зарядов:
Так как форма распределения не важна, равномерно «размажем» заряд по огромной площади в виде тонкой пленки из пункта «а». Поверхностная плотность заряда этой пленки будет равна .
Полные индуцированные заряды на верхней и нижней пластинах соответственно равны и .
Используя результаты пункта «а», умножим плотности и на площадь :


Ответ

а. Напряженности полей: , ;
Плотности зарядов: , .

б. Заряды пластин: (верхней), (нижней).