| ### Условие | | ### Условие |
| | | |
| $8.2.18.$ Два электрода — металлические шары диаметра 30 см — висят в море на изолированных кабелях на глубине 60 м. Расстояние между шарами 300 м. Удельная проводимость морской воды 4 См/м. Оцените сопротивление воды между шарами. | | $8.2.18.$ Два электрода — металлические шары диаметра 30 см — висят в море на изолированных кабелях на глубине 60 м. Расстояние между шарами 300 м. Удельная проводимость морской воды 4 См/м. Оцените сопротивление воды между шарами. |
| | | |
| | | |
| ### Решение(Требует пересмотра) | | ### Решение(Требует пересмотра) |
| | | |
|  | |  |
| | | |
| | | |
| #### Ответ | | #### Ответ |
| | | |
| R = 0.13 Ом | | R = 0.13 Ом |
| | | |
| ### Решение | | ### Решение |
| | | |
| Обозначим радиус каждого металлического шара через $a$: | | Обозначим радиус каждого металлического шара через $a$: |
| | | |
| $$ | | $$ |
| a=\frac{30\,\text{см}}{2}=0.15\,\text{м}. | | a=\frac{30\,\text{см}}{2}=0.15\,\text{м}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Глубина расположения электродов равна | | Глубина расположения электродов равна |
| | | |
| $$ | | $$ |
| h=60\,\text{м}, | | h=60\,\text{м}, |
| $$ | | $$ |
| | | |
| расстояние между их центрами | | расстояние между их центрами |
| | | |
| $$ | | $$ |
| L=300\,\text{м}, | | L=300\,\text{м}, |
| $$ | | $$ |
| | | |
| а удельная проводимость морской воды | | а удельная проводимость морской воды |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \sigma=4\,\text{См/м}. | | \sigma=4\,\text{См/м}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Необходимо найти электрическое сопротивление воды между двумя сферическими электродами. | | Необходимо найти электрическое сопротивление воды между двумя сферическими электродами. |
| | | |
| Поскольку размеры электродов малы по сравнению как с глубиной их расположения, так и с расстоянием между ними, | | Поскольку размеры электродов малы по сравнению как с глубиной их расположения, так и с расстоянием между ними, |
| | | |
| $$ | | $$ |
| a\ll h,\qquad a\ll L, | | a\ll h,\qquad a\ll L, |
| $$ | | $$ |
| | | |
| каждый электрод можно в первом приближении рассматривать как точечный источник или сток электрического тока, сохраняя конечный радиус $a$ только при вычислении собственного потенциала электрода. | | каждый электрод можно в первом приближении рассматривать как точечный источник или сток электрического тока, сохраняя конечный радиус $a$ только при вычислении собственного потенциала электрода. |
| | | |
| --- | | --- |
| | | |
| #### 1. Потенциал точечного источника тока в проводящей среде | | #### 1. Потенциал точечного источника тока в проводящей среде |
| | | |
| Пусть из небольшого сферического электрода в однородную проводящую среду выходит ток $I$. | | Пусть из небольшого сферического электрода в однородную проводящую среду выходит ток $I$. |
| | | |
| На расстоянии $r$ от центра электрода ток распределяется практически сферически. Поэтому плотность тока равна | | На расстоянии $r$ от центра электрода ток распределяется практически сферически. Поэтому плотность тока равна |
| | | |
| $$ | | $$ |
| j(r)=\frac{I}{4\pi r^2}. | | j(r)=\frac{I}{4\pi r^2}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Дифференциальный закон Ома имеет вид | | Дифференциальный закон Ома имеет вид |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \mathbf j=\sigma\mathbf E. | | \mathbf j=\sigma\mathbf E. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Следовательно, | | Следовательно, |
| | | |
| $$ | | $$ |
| E(r)=\frac{j(r)}{\sigma}. | | E(r)=\frac{j(r)}{\sigma}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Подставляя выражение для плотности тока, получаем | | Подставляя выражение для плотности тока, получаем |
| | | |
| $$ | | $$ |
| E(r)=\frac{I}{4\pi\sigma r^2}. | | E(r)=\frac{I}{4\pi\sigma r^2}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Потенциал относительно бесконечно удалённой точки равен | | Потенциал относительно бесконечно удалённой точки равен |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \varphi(r)=\int_r^\infty E(r')\,dr'. | | \varphi(r)=\int_r^\infty E(r')\,dr'. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Следовательно, | | Следовательно, |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \varphi(r)=\frac{I}{4\pi\sigma}\int_r^\infty\frac{dr'}{r'^2}. | | \varphi(r)=\frac{I}{4\pi\sigma}\int_r^\infty\frac{dr'}{r'^2}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Отсюда | | Отсюда |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \boxed{\varphi(r)=\frac{I}{4\pi\sigma r}}. | | \boxed{\varphi(r)=\frac{I}{4\pi\sigma r}}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Для сферического электрода радиуса $a$ собственный вклад в его потенциал равен | | Для сферического электрода радиуса $a$ собственный вклад в его потенциал равен |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \boxed{\varphi_{\text{self}}=\frac{I}{4\pi\sigma a}}. | | \boxed{\varphi_{\text{self}}=\frac{I}{4\pi\sigma a}}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| --- | | --- |
| | | |
| #### 2. Учёт поверхности моря | | #### 2. Учёт поверхности моря |
| | | |
| Морская вода занимает только нижнее полупространство, а над ней находится воздух, проводимость которого по сравнению с проводимостью воды пренебрежимо мала. | | Морская вода занимает только нижнее полупространство, а над ней находится воздух, проводимость которого по сравнению с проводимостью воды пренебрежимо мала. |
| | | |
| Поэтому электрический ток не может выходить из воды через её поверхность. На границе вода–воздух нормальная составляющая плотности тока должна быть равна нулю: | | Поэтому электрический ток не может выходить из воды через её поверхность. На границе вода–воздух нормальная составляющая плотности тока должна быть равна нулю: |
| | | |
| $$ | | $$ |
| j_n=0. | | j_n=0. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Так как | | Так как |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \mathbf j=\sigma\mathbf E=-\sigma\nabla\varphi, | | \mathbf j=\sigma\mathbf E=-\sigma\nabla\varphi, |
| $$ | | $$ |
| | | |
| это условие эквивалентно | | это условие эквивалентно |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \frac{\partial\varphi}{\partial n}=0. | | \frac{\partial\varphi}{\partial n}=0. |
| $$ | | $$ |
| --- | | --- |
| | | |
| #### 3. Потенциал первого электрода | | #### 3. Потенциал первого электрода |
| | | |
| Пусть первый электрод является источником тока $+I$, а второй — стоком тока $-I$. | | Пусть первый электрод является источником тока $+I$, а второй — стоком тока $-I$. |
| | | |
| Рассмотрим потенциал первого электрода. | | Рассмотрим потенциал первого электрода. |
| | | |
| Он складывается из четырёх вкладов: | | Он складывается из четырёх вкладов: |
| | | |
| 1. собственного поля первого электрода; | | 1. собственного поля первого электрода; |
| 2. поля его зеркального изображения; | | 2. поля его зеркального изображения; |
| 3. поля второго электрода; | | 3. поля второго электрода; |
| 4. поля зеркального изображения второго электрода. | | 4. поля зеркального изображения второго электрода. |
| | | |
| Собственный вклад равен | | Собственный вклад равен |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \varphi_{11}=\frac{I}{4\pi\sigma a}. | | \varphi_{11}=\frac{I}{4\pi\sigma a}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Расстояние от первого электрода до его собственного зеркального изображения равно | | Расстояние от первого электрода до его собственного зеркального изображения равно |
| | | |
| $$ | | $$ |
| 2h, | | 2h, |
| $$ | | $$ |
| | | |
| поэтому вклад изображения равен | | поэтому вклад изображения равен |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \varphi_{1\,\text{im1}}=\frac{I}{4\pi\sigma\,2h}. | | \varphi_{1\,\text{im1}}=\frac{I}{4\pi\sigma\,2h}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Второй электрод находится на расстоянии $L$ и имеет противоположный знак тока, поэтому его вклад равен | | Второй электрод находится на расстоянии $L$ и имеет противоположный знак тока, поэтому его вклад равен |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \varphi_{12}=-\frac{I}{4\pi\sigma L}. | | \varphi_{12}=-\frac{I}{4\pi\sigma L}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Расстояние от первого электрода до зеркального изображения второго равно | | Расстояние от первого электрода до зеркального изображения второго равно |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \sqrt{L^2+(2h)^2}. | | \sqrt{L^2+(2h)^2}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Поэтому | | Поэтому |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \varphi_{1\,\text{im2}}=-\frac{I}{4\pi\sigma\sqrt{L^2+4h^2}}. | | \varphi_{1\,\text{im2}}=-\frac{I}{4\pi\sigma\sqrt{L^2+4h^2}}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Суммарный потенциал первого электрода равен | | Суммарный потенциал первого электрода равен |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \varphi_1=\frac{I}{4\pi\sigma}\left(\frac1a+\frac1{2h}-\frac1L-\frac1{\sqrt{L^2+4h^2}}\right). | | \varphi_1=\frac{I}{4\pi\sigma}\left(\frac1a+\frac1{2h}-\frac1L-\frac1{\sqrt{L^2+4h^2}}\right). |
| $$ | | $$ |
| | | |
| --- | | --- |
| | | |
| #### 4. Потенциал второго электрода | | #### 4. Потенциал второго электрода |
| | | |
| Система симметрична: второй электрод имеет такой же модуль потенциала, но противоположный знак. | | Система симметрична: второй электрод имеет такой же модуль потенциала, но противоположный знак. |
| | | |
| Следовательно, | | Следовательно, |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \varphi_2=-\varphi_1. | | \varphi_2=-\varphi_1. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Поэтому разность потенциалов между электродами равна | | Поэтому разность потенциалов между электродами равна |
| | | |
| $$ | | $$ |
| U=\varphi_1-\varphi_2=2\varphi_1. | | U=\varphi_1-\varphi_2=2\varphi_1. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Получаем | | Получаем |
| | | |
| $$ | | $$ |
| U=\frac{I}{2\pi\sigma}\left(\frac1a+\frac1{2h}-\frac1L-\frac1{\sqrt{L^2+4h^2}}\right). | | U=\frac{I}{2\pi\sigma}\left(\frac1a+\frac1{2h}-\frac1L-\frac1{\sqrt{L^2+4h^2}}\right). |
| $$ | | $$ |
| | | |
| По определению сопротивления, | | По определению сопротивления, |
| | | |
| $$ | | $$ |
| R=\frac{U}{I}. | | R=\frac{U}{I}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Следовательно, | | Следовательно, |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \boxed{R=\frac{1}{2\pi\sigma}\left(\frac1a+\frac1{2h}-\frac1L-\frac1{\sqrt{L^2+4h^2}}\right)}. | | \boxed{R=\frac{1}{2\pi\sigma}\left(\frac1a+\frac1{2h}-\frac1L-\frac1{\sqrt{L^2+4h^2}}\right)}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Это выражение учитывает как конечное расстояние между электродами, так и наличие поверхности моря. | | Это выражение учитывает как конечное расстояние между электродами, так и наличие поверхности моря. |
| | | |
| --- | | --- |
| | | |
| #### 5. Численный расчёт | | #### 5. Численный расчёт |
| | | |
| Подставим | | Подставим |
| | | |
| $$ | | $$ |
| a=0.15\,\text{м}, | | a=0.15\,\text{м}, |
| $$ | | $$ |
| | | |
| $$ | | $$ |
| h=60\,\text{м}, | | h=60\,\text{м}, |
| $$ | | $$ |
| | | |
| $$ | | $$ |
| L=300\,\text{м}, | | L=300\,\text{м}, |
| $$ | | $$ |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \sigma=4\,\text{См/м}. | | \sigma=4\,\text{См/м}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Получаем | | Получаем |
| | | |
| $$ | | $$ |
| R=\frac{1}{2\pi\cdot4}\left(\frac1{0.15}+\frac1{120}-\frac1{300}-\frac1{\sqrt{300^2+120^2}}\right). | | R=\frac{1}{2\pi\cdot4}\left(\frac1{0.15}+\frac1{120}-\frac1{300}-\frac1{\sqrt{300^2+120^2}}\right). |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Вычислим отдельные слагаемые: | | Вычислим отдельные слагаемые: |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \frac1{0.15}\approx6.6667\,\text{м}^{-1}, | | \frac1{0.15}\approx6.6667\,\text{м}^{-1}, |
| $$ | | $$ |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \frac1{120}\approx0.00833\,\text{м}^{-1}, | | \frac1{120}\approx0.00833\,\text{м}^{-1}, |
| $$ | | $$ |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \frac1{300}\approx0.00333\,\text{м}^{-1}, | | \frac1{300}\approx0.00333\,\text{м}^{-1}, |
| $$ | | $$ |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \frac1{\sqrt{300^2+120^2}}\approx0.00309\,\text{м}^{-1}. | | \frac1{\sqrt{300^2+120^2}}\approx0.00309\,\text{м}^{-1}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Следовательно, | | Следовательно, |
| | | |
| $$ | | $$ |
| R\approx\frac{6.6667+0.00833-0.00333-0.00309}{8\pi}. | | R\approx\frac{6.6667+0.00833-0.00333-0.00309}{8\pi}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Отсюда | | Отсюда |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \boxed{R\approx0.265\,\Omega}. | | \boxed{R\approx0.265\,\Omega}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| То есть с требуемой точностью | | То есть с требуемой точностью |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \boxed{R\approx0.27\,\Omega}. | | \boxed{R\approx0.27\,\Omega}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| --- | | --- |
| | | |
| #### 6. Почему глубина почти не влияет на ответ | | #### 6. Почему глубина почти не влияет на ответ |
| | | |
| Главный вклад в сопротивление определяется областью непосредственно около поверхности каждого электрода. | | Главный вклад в сопротивление определяется областью непосредственно около поверхности каждого электрода. |
| | | |
| Действительно, | | Действительно, |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \frac1a\approx6.67\,\text{м}^{-1}, | | \frac1a\approx6.67\,\text{м}^{-1}, |
| $$ | | $$ |
| | | |
| тогда как поправки, связанные с глубиной и расстоянием между электродами, имеют порядок лишь | | тогда как поправки, связанные с глубиной и расстоянием между электродами, имеют порядок лишь |
| | | |
| $$ | | $$ |
| 10^{-3}-10^{-2}\,\text{м}^{-1}. | | 10^{-3}-10^{-2}\,\text{м}^{-1}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Поэтому уже простая оценка | | Поэтому уже простая оценка |
| | | |
| $$ | | $$ |
| R\approx\frac{1}{2\pi\sigma a} | | R\approx\frac{1}{2\pi\sigma a} |
| $$ | | $$ |
| | | |
| даёт | | даёт |
| | | |
| $$ | | $$ |
| R\approx\frac{1}{2\pi\cdot4\cdot0.15}\approx0.265\,\Omega, | | R\approx\frac{1}{2\pi\cdot4\cdot0.15}\approx0.265\,\Omega, |
| $$ | | $$ |
| | | |
| то есть практически тот же результат. | | то есть практически тот же результат. |
| | | |
| Глубина $60\,\text{м}$ нужна для проверки того, насколько хорошо электроды можно считать расположенными в почти бесконечной проводящей среде, а также для оценки поправки от поверхности вода–воздух. | | Глубина $60\,\text{м}$ нужна для проверки того, насколько хорошо электроды можно считать расположенными в почти бесконечной проводящей среде, а также для оценки поправки от поверхности вода–воздух. |
| | | |
| --- | | --- |