Задача
типа Б). На изолированном шаре помещен заряд .
Рассмотрим сначала случай задания на поверхности
шара граничного условия и найдем положение и
величину мнимого заряда (изображения)
, при
котором обеспечивалось бы выполнение этого граничного условия в отсутствие
проводящего шара. Сначала выберем точку
на
поверхности шара
. Расстояние от зарядов
и
до
поверхности шара обозначим через
и
. На этой поверхности должно выполняться
условие
:
,
,
из которого следуют соотношения
,
(5.9)
Здесь - диэлектрическая
проницаемость среды вне шара,
- расстояния зарядов
до точек на поверхности
, смысл обозначений
понятен
из Рис.5.5. Из формулы (5.9) видно, что знак изображения («зеркального») заряда
противоположен знаку
и величина отношения
не зависит от положения точки на
поверхности шара. Заряд
должен находиться
внутри шара на линии, соединяющей центр шара с зарядом
.
Найдем теперь положение заряда
. С этой целью выберем
положение точки
, как показано на Рис. 5.6. Тогда
для точки
имеем:
,
,
Для точки имеем
,
,
.
Так как потенциал в точках и
одинаков (в данной задаче он равен нулю),
то
приравнивая полученные для точек и
отношения
,
получим положение заряда – изображения
и
величину
. Величина заряда
представляется
в виде
.
Найденный фиктивный заряд в совокупности с
зарядом
обеспечивает выполнение граничного условия
. Следовательно, в произвольной точке
потенциал имеет представление
,
которое дает решение рассматриваемой задачи, смысл расстояний ясен из Рис. 5.5.
Если на поверхности сферы задано
условие
, то для выполнения этого условия в центр
шара необходимо поместить дополнительный фиктивный точечный заряд
. Решение такой задачи выразится суммой
потенциалов от трех точечных зарядов (одного реального и двух фиктивных)
.
Задача типа Б). На
проводящем шаре задан полный заряд . Сначала исследуем
случай разряженного шара:
на поверхности шара. Решение
такой задачи сконструируем из решения для случая
. Чтобы
удовлетворить условию
, добавим к заряду
еще один фиктивный заряд
, поместив его в центр шара. При этом полный
заряд на поверхности шара равен нулю. Тогда решение для потенциала вне шара
примет вид
.
Если на поверхности шара задан полный заряд , то тогда в центр шара поместим фиктивный
заряд
, это обеспечит выполнение условия
. Решение этой задачи имеет вид
.
Отметим в заключение, что метод изображений имеет ограниченную область применения, так как в случае сложных форм проводников нахождение изображения зарядов оказывается весьма трудной задачей. Но при простых границах проводников этот метод позволяет быстро получать решения, имеющие к тому же простой физический смысл.
Метод инверсии. Это простой метод, который позволяет по известному решению одной электростатической задачи находить решение другой задачи. Основанием этого метода является инвариантность уравнения Лапласа к определенному преобразованию переменных (преобразование инверсии). Например, в сферических координатах уравнение Лапласа имеет вид
,
где
- угловая часть оператора Лапласа. Это
уравнение сохраняет свою форму, если вместо переменной
ввести
новую переменную
, такую, что имеет место
пропорциональность
:
,
,
где
- радиус инверсии
Одновременно делается заменуа неизвестной функции
.
Такое
преобразование меняет фигуры всех протяженных проводников и их взаимное
расположение. Меняются величины и расположение всех точечных зарядов. Граничное
условие на поверхности проводника автоматически
выполняется новым решением
. Таким образом, по
известному решению
находится еще новое решение
.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.