...

−p · ∇δ ρ r )

by user

on
Category: Documents
22

views

Report

Comments

Transcript

−p · ∇δ ρ r )
‫‪ 1.‬הראה שצפיפות המטען‬
‫) ‪ρ = −p · ∇δ(r − r0‬‬
‫מתארת דיפול נקודתי הנמצא בנקודה ‪.r0‬‬
‫ישנן שתי דרכים‪ :‬אפשר לחשב ישירות את המומנט הדיפולי‬
‫‪Z‬‬
‫‪Z‬‬
‫@‬
‫‪0‬‬
‫‪0‬‬
‫‪xi ρ(r ) = −pj x0i 0 δ(r − r0 )dV 0 = pi‬‬
‫‪@xj‬‬
‫אפשר לחשב את הפוטנציאל‬
‫‪Z‬‬
‫‪ρ(r0 )dV 0‬‬
‫=‪φ‬‬
‫| ‪|r − r0‬‬
‫‪Z‬‬
‫‪1‬‬
‫@‬
‫‪= −pj‬‬
‫‪δ(r − r0 )dV 0‬‬
‫‪0‬‬
‫‪0‬‬
‫‪|r − r | @xj‬‬
‫∂‬
‫‪Z µ‬‬
‫@‬
‫‪1‬‬
‫‪= pj‬‬
‫‪δ(r − r0 )dV 0‬‬
‫| ‪@x0j |r − r0‬‬
‫∂‬
‫‪Z µ‬‬
‫@‬
‫‪1‬‬
‫‪= −pj‬‬
‫‪δ(r − r0 )dV 0‬‬
‫‪0‬‬
‫| ‪@xj |r − r‬‬
‫@‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪= −pj‬‬
‫)∇ · ‪= −(p‬‬
‫| ‪@xj |r − r0‬‬
‫| ‪|r − r0‬‬
‫הביטוי האחרון הינו פוטנציאל של דיפול נקודתי‪.‬‬
‫‪ 2.‬מספר מטענים נקודתיים ‪ qi‬נמצאים עך ציר ‪ .z‬מצא משוואה של קווי שדה‬
‫חשמלי‪.‬‬
‫בגלל הסימטריה המשוואה תהיה מסוג ‪ .f (r, z) = const‬ניקח קוו שדה אשר‬
‫ונסובב אותו סביב ציר ‪ .z‬המשטח יהיה בנוי מקווי שדה‪ .‬נבחר ‪ z‬מסטיים ונחשב את‬
‫השטף החשמלי שעבור דרך החתך של המשטח שקיבלנו משמאל לימין‪ .‬אם ‪ zi < z‬אז‬
‫השטף הוא‬
‫‪qi ≠i‬‬
‫כאשר ‪ ≠i‬הינה‪p‬זווית מרחבית שחותך מעגל בעל רדיוס )‪ r(z‬מתוך הספרה בעלת רדיוס‬
‫‪ .Ri = r2 + (z − zi )2‬תוודאו ש‬
‫‪µ‬‬
‫∂‬
‫‪z − zi‬‬
‫‪≠i = 2π 1 −‬‬
‫‪Ri‬‬
‫אם ‪ zi > z‬השטף יהיה‬
‫‪µ‬‬
‫∂‬
‫‪z − zi‬‬
‫‪2πqi −1 −‬‬
‫‪Ri‬‬
‫‪1‬‬
‫אם נתקדם לאורך ציר ‪ z‬ביחד עם קוו השדה‪ ,‬אז כל פעם כאשר ‪ z = zi‬השטף קופץ ב‬
‫‪ ,4πqi‬אבל‬
‫) ‪X qi (z − zi‬‬
‫‪= const‬‬
‫‪Ri‬‬
‫‪i‬‬
‫ביטוי זה הינו משוואה של קו השדה‪.‬‬
‫‪ 3.‬צפיפות המטען ‪ ρ1‬יוצרת פוטנציאל ‪ ,φ1‬צפיפות המטען ‪ ρ2‬יוצרת פוטנציאל ‪.φ2‬‬
‫מצא את האנרגיות ‪.U11 , U22 , U12‬‬
‫בהתאם לביטוי הכללי‬
‫‪Z‬‬
‫‪1‬‬
‫=‪U‬‬
‫‪φρdV‬‬
‫‪2‬‬
‫‪Z‬‬
‫‪1‬‬
‫=‬
‫‪(φ1 + φ2 )(ρ1 + ρ2 )dV‬‬
‫‪2‬‬
‫‪Z‬‬
‫‪1‬‬
‫= ‪U11‬‬
‫‪φ1 ρ1 dV,‬‬
‫‪2‬‬
‫‪Z‬‬
‫‪1‬‬
‫= ‪U22‬‬
‫‪φ1 ρ2 dV,‬‬
‫‪2‬‬
‫‪Z‬‬
‫‪1‬‬
‫= ‪U12‬‬
‫‪(ρ1 φ2 + ρ2 φ1 )dV‬‬
‫‪2‬‬
‫‪Z‬‬
‫‪Z‬‬
‫‪= ρ1 φ2 dV = ρ2 φ1 dV‬‬
‫‪ 4.‬הוכח שמערכת המטענים לא יכולה להיות במצב שיווי יציב אם כל הכוחות‬
‫הינם כוחות אלקטרוסטטיים‪.‬‬
‫א( אם נזיז מטען משיווי משקל אז בכל מקודה סמוכה הכוח חייב לפעול בכיוון‬
‫הנקודה שממנה הזזנו את המטען‪ .‬לכן‬
‫‪I‬‬
‫‪I‬‬
‫‪F · dS = q E · dS < 0‬‬
‫שלא יכול להיות כי בנקודה זו אין מטען )חוץ ממטען שהזזנו אבל הוא לא פועל על‬
‫עצמו(‪.‬‬
‫ב( בשיווי צשקל יציב כל הנגזרות‬
‫‪@2φ @2φ @2φ‬‬
‫‪,‬‬
‫‪,‬‬
‫‪@x2 @y 2 @z 2‬‬
‫חייבות להיות באותו סימן )כולן חיוביות או כולן שליליות(‪ .‬אבל זה לא יכול להיות כי‬
‫‪@2φ @2φ @2φ‬‬
‫‪+‬‬
‫‪+ 2 =0‬‬
‫‪@x2 @y 2‬‬
‫‪@z‬‬
‫‪2‬‬
‫‪ 5.‬מערכת מורכבת מדיפולים נקודתיים‪ .‬נגדיר קיטוב כ‬
‫‪P = np‬‬
‫כאשר ‪ n‬הינו ריכוז הדיפולים )תלוי במיקום(‪ .‬מהי צפיפות המטען השקולה ?‬
‫כל נפח ‪ dV 0‬הינו בעל מומנט דיפולי ‪ P (r0 )dV 0‬ויוצר פוטנציאל‬
‫‪1‬‬
‫| ‪|r − r0‬‬
‫‪dφ = −(P (r0 )dV 0 ) gradr‬‬
‫בכל נקודה ‪ .r 6= r0‬הפוטנמיאל הכולל יהיה‬
‫‪Z‬‬
‫‪1‬‬
‫‪φ = − (P (r0 )dV 0 ) gradr‬‬
‫| ‪|r − r0‬‬
‫‪Z‬‬
‫‪1‬‬
‫‪= (P (r0 )dV 0 ) gradr0‬‬
‫| ‪|r − r0‬‬
‫‪Z‬‬
‫‪I‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪0‬‬
‫‪0‬‬
‫‪0 P (r ))dV +‬‬
‫‪=−‬‬
‫‪(div‬‬
‫‪P · n̂dS‬‬
‫‪r‬‬
‫‪0‬‬
‫| ‪|r − r0‬‬
‫| ‪1 |r − r‬‬
‫אם האינטגרל השני מתכנס‪ ,‬מה שקורה כאשר‬
‫‪P r3 → 0‬‬
‫אז‬
‫‪Z‬‬
‫‪1‬‬
‫‪(divr0 P (r0 ))dV 0‬‬
‫| ‪|r − r0‬‬
‫‪1‬‬
‫⇒ ‪ρ(r0 )dV 0‬‬
‫| ‪|r − r0‬‬
‫‪ρ = − div P‬‬
‫‪φ=−‬‬
‫‪Z‬‬
‫=‬
‫‪ 6.‬מערכת מטענים קטנה נמצאת בשדה חשמלי חיצוני שמשתנה לאט במרחב‪.‬‬
‫לפתח ביטויים כלליים לאנרגיה‪ ,‬כוח ומומנט הכוח‪ .‬להסתפק במומנט קוודרופולי‪.‬‬
‫נבחר ‪ - R‬נקודת הייחוס מתוך המערכת‪ ,‬אז ‪ r = R + r0‬או ‪ xi = Xi + x0i‬ו‬
‫‪@φ‬‬
‫‪1‬‬
‫‪@2φ‬‬
‫‪+ x0i x0j‬‬
‫‪@Xj 2‬‬
‫‪@Xi @Xj‬‬
‫@‬
‫‪1‬‬
‫‪@2‬‬
‫‪Ei (r) = Ei (R) + x0j‬‬
‫‪Ei + x0j x0k‬‬
‫‪Ei‬‬
‫‪@Xj‬‬
‫‪2‬‬
‫‪@Xj @Xk‬‬
‫‪φ(r) = φ(R) + x0j‬‬
‫אנרגיה‬
‫‪@φ‬‬
‫‪1‬‬
‫‪@2φ‬‬
‫‪+ x0i x0j‬‬
‫‪)dV 0‬‬
‫‪@Xj 2‬‬
‫‪@Xi @Xj‬‬
‫‪ρ0 (r0 )(φ(R) + x0j‬‬
‫‪3‬‬
‫‪Z‬‬
‫= ‪ρ(r)φ(r)dV‬‬
‫‪Z‬‬
‫=‪U‬‬
Z
@
1
@2
= qφ + pj
φ + ( x0i x0j ρ0 dV 0 )
)φ
@Xj
2
@Xi @Xj
Z
1
x0i x0j ρ0 dV 0 = Dij + Aδij ,
3
Z
1
2
A=
r0 ρ0 dV 0 ,
3
@
1
@2
A @2
U = qφ + pj
φ + Dij
)φ +
)φ
@Xj
6
@Xi @Xj
2 @Xi @Xi
‫אבל‬
@2
)φ = 4φ = 0
@Xi @Xi
‫ לכן‬,‫עבור השדה החיצוני‬
U = qφ + pj
@
1
@2
φ + Dij
)φ
@Xj
6
@Xi @Xj
‫בדומה לזה‬
@
1
@2
Ei + Djk
Ei ,
@Xj
6
@Xk @Xk
1
@
τi = ≤ijk pj Ek + ≤ijk Djl
Ek
3
@Xl
Fi = qEi + pj
‫ מהו הכוח‬.R ‫ רדיוס הכדור‬.ρ ‫ כדור מלא טעון באופן אחיד בצפיפות המטען‬7.
? ‫הפועל על חצי כדור‬
.(‫ )מרכז הכדור בראשית הקואורדינטות‬z > 0 ‫נחשב את הכוח אשא פועל עך החצי‬
‫הכוח יהיה‬
I
Fi = Tij nj dS
Tij =
Fz =
Tzj =
1
1
Ei Ej − E 2 δij
4π
8π
I
‫ לכן‬Fz 6= 0 ‫מטעמי סימטריה רק‬
Tzj nj dS
1
1
Ez Ej − E 2 δzj
4π
8π
4
‫בנוסף משפט גאוס נותן‬
‫‪4πρr‬‬
‫̂‪r‬‬
‫‪3‬‬
‫בבסיס‬
‫במשטח כדורי‬
‫= ‪Er · 4πr2 = 4π(4πr3 /3)ρ ⇒ E‬‬
‫‪1 4πρr 2‬‬
‫=‬
‫(‬
‫)‬
‫‪8π 3‬‬
‫‪n̂ = −ẑ ⇒ Tzj nj = −Tzz‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫= ‪n̂ = r̂ ⇒ Tzj nj‬‬
‫̂‪Ez Er − Er2 r̂ · z‬‬
‫‪4π‬‬
‫‪8π‬‬
‫‪1 4πρR 2‬‬
‫= ‪Tzj nj‬‬
‫(‬
‫‪) cos θ‬‬
‫‪8π‬‬
‫‪3‬‬
‫האינטגרל‬
‫‪R‬‬
‫‪Z‬‬
‫‪1 4πρr 2‬‬
‫(‬
‫‪) rdr‬‬
‫‪3‬‬
‫‪0 8π‬‬
‫‪Z π/2‬‬
‫‪1 4πρR 2‬‬
‫‪+ 2π‬‬
‫(‬
‫‪) cos θR2 sin θdθ‬‬
‫‪8π‬‬
‫‪3‬‬
‫‪0‬‬
‫‪= π 2 ρ2 R4 /3‬‬
‫‪Fz = 2π‬‬
‫‪ 8.‬משטח כדורי בעל רדיוס ‪ R‬טעון באופן אחיד בצפיפות מטען פנים ‪ .σ‬מצא את‬
‫אנרגית המשטח‪.‬‬
‫‪Z‬‬
‫‪1‬‬
‫=‪U‬‬
‫‪φdq‬‬
‫‪2‬‬
‫‪φ = q/R‬‬
‫‪Z‬‬
‫‪1‬‬
‫‪q2‬‬
‫= ‪U = (q/R) dq‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2R‬‬
‫‪ 9.‬משטח של חרוט בעל רדיוס הבסיס ‪ R‬וזווית הפתיחה ‪ θ0‬טעון בצפיפות פנים‬
‫של מטען ‪ σ‬אחידה‪ .‬הקודקוד של החרוט נמצא בראשית הקואורדינטות‪ ,‬וצירו נמצא‬
‫על החצי החיובי של ציר ‪ .z‬מצא את צפיפות המטען בקואורדינטות כדוריות ומומנט‬
‫דיפולי‪.‬‬
‫בקואורדינטות כדוריות צפיפות המטען אינה אפס רק ב ‪ 0 < φ < 2π ,θ = θ0‬ו‬
‫‪ ,r < l = R/ sin θ0‬לכן‬
‫)‪ρ = Aδ(θ − θ0 )H(l − r‬‬
‫את המקדם נקבל מהתנאי‬
‫‪σdS = ρdV‬‬
‫‪5‬‬
‫‪σ‬‬
‫)‪δ(θ − θ0 )H(l − r‬‬
‫‪r‬‬
‫⇒ ‪σr sin θ0 drdϕ = ρr2 dr sin θdθdϕ‬‬
‫=‪ρ‬‬
‫מומנט דיפולי‬
‫‪2π 3‬‬
‫‪σl sin θ0 cos θ0‬‬
‫‪3‬‬
‫‪l‬‬
‫= ‪r cos θ0 σr sin θ0 dr‬‬
‫‪Z‬‬
‫‪zdq = 2π‬‬
‫‪0‬‬
‫‪Z‬‬
‫= ‪pz‬‬
‫‪ 10.‬כדור מלא בעל רדיוס ‪ R1‬ומטען ‪) Q‬התפלגות אחידה( נמצא בתוך כדור בעל‬
‫רדיוס ‪ R2‬הטעון בצפיפות מטען אחידה ‪ .ρ‬המרחק בין המרכזים הינו ‪.R1 + l < R2 ,l‬‬
‫מצא את הכוח הפועל על הכדור הקטן‪.‬‬
‫אם נוציא את הכדור הקון ישאר חור כדורי שבתוכו שדה חשמלי שווה ‪.E = 4πρl/3‬‬
‫)הבעיה זאת נמפתרה בקורס פיסיקה ‪ .(2‬לכן הכוח הינו ‪.F = 4πρQl/3‬‬
‫‪ 11.‬מה הוא מומנט הכוח הפועל על נפח אינפיניטזימלי ? נפח סופי ?‬
‫@‬
‫@‬
‫‪dτi = ≤ijk xj fj dV = ≤ijk xj‬‬
‫= ‪Tkl dV‬‬
‫‪(≤ijk xj Tkl )dV‬‬
‫‪@xl I‬‬
‫‪@xl‬‬
‫‪Z‬‬
‫@‬
‫= ‪τi‬‬
‫‪(≤ijk xj Tkl )dV = ≤ijk xj Tkl nl dS‬‬
‫‪@xl‬‬
‫‪ 12.‬נתון‬
‫‪n‬‬
‫‪Y‬‬
‫) ‪ρ = q (ai · ∇)δ(r − r0‬‬
‫‪i=1‬‬
‫מצא ‪.φ‬‬
‫‪Z‬‬
‫‪1‬‬
‫‪dV 0‬‬
‫| ‪|r − r0‬‬
‫‪Z‬‬
‫‪n‬‬
‫‪Y‬‬
‫‪1‬‬
‫=‬
‫‪q‬‬
‫‪(ai · ∇r0 )δ(r0 − r0 )dV 0‬‬
‫‪0‬‬
‫‪|r − r | i=1‬‬
‫‪Z Y‬‬
‫‪n‬‬
‫‪1‬‬
‫) ‪= q [ (−ai · ∇r0‬‬
‫‪]δ(r0 − r0 )dV 0‬‬
‫|‪0‬‬
‫‪|r‬‬
‫‪−‬‬
‫‪r‬‬
‫‪i=1‬‬
‫‪Z Y‬‬
‫‪n‬‬
‫‪1‬‬
‫) ‪= q [ (ai · ∇r‬‬
‫‪]δ(r0 − r0 )dV 0‬‬
‫|‪0‬‬
‫‪|r‬‬
‫‪−‬‬
‫‪r‬‬
‫‪i=1‬‬
‫) ‪ρ(r0‬‬
‫‪1‬‬
‫| ‪|r − r0‬‬
‫‪6‬‬
‫‪n‬‬
‫‪Y‬‬
‫) ‪(ai · ∇r‬‬
‫‪i=1‬‬
‫=‪φ‬‬
‫‪=q‬‬
‫‪ 13.‬בלון בעל מתח פנים ̃‪ σ‬טעון במטען ‪ .q‬מסת הבלון ‪ .m‬מצא אדיוס בשיווי מקל‬
‫ותדירות תנודות רדיאליות‪.‬‬
‫‪q2‬‬
‫‪+ 4πσ̃R2 ,‬‬
‫‪2R‬‬
‫‪E = mṘ2 /2 +‬‬
‫‪q2‬‬
‫⇒ ‪+ 8πσ̃R,‬‬
‫‪2R2‬‬
‫‪= (q 2 /16πσ̃)1/3 ,‬‬
‫‪q2‬‬
‫̃‪= 3 + 8πσ̃ = 24πσ‬‬
‫‪R‬‬
‫‪= 24πσ̃/m‬‬
‫‪=0⇒−‬‬
‫‪dU‬‬
‫‪dR‬‬
‫‪Rc‬‬
‫‪d2 U‬‬
‫‪dR2‬‬
‫‪ω2‬‬
‫‪ 14.‬משטח גלילי אינסופי טעון בצפיפות פנים של מטען ‪ .σ‬מצא את הלחץ על‬
‫המשטח הגלילי‪.‬‬
‫הלחץ הינו כוח נורמלי ליחידת שטח‪ ,‬ז"א‬
‫‪1 2‬‬
‫‪1‬‬
‫= ‪p = Trr‬‬
‫= ‪Er‬‬
‫‪(4πσ)2 = 2πσ 2‬‬
‫‪8π‬‬
‫‪8π‬‬
‫‪ 15.‬מצא את צפיפות המטען של קוודרופול נקודתי‪.‬‬
‫‪(3xi xj − r2 δij )ρdV,‬‬
‫‪Z‬‬
‫= ‪Dij‬‬
‫‪Dii = Dij δij = 0,‬‬
‫‪1‬‬
‫‪xi xj‬‬
‫‪φ = Dij 5‬‬
‫‪2‬‬
‫‪r‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1 @2‬‬
‫‪1‬‬
‫[ ‪= Dij‬‬
‫] ‪+ Aδij‬‬
‫‪2‬‬
‫| ‪3 @xi @xj |r − r0‬‬
‫‪1‬‬
‫‪@2‬‬
‫‪1‬‬
‫‪= Dij‬‬
‫‪6‬‬
‫| ‪@xi @xj |r − r0‬‬
‫‪Z‬‬
‫‪1‬‬
‫‪@2‬‬
‫‪1‬‬
‫=‬
‫‪Dij‬‬
‫‪δ(r0 − r0 )dV 0‬‬
‫‪6‬‬
‫| ‪@xi @xj |r − r0‬‬
‫‪Z‬‬
‫‪1‬‬
‫‪@2‬‬
‫‪1‬‬
‫=‬
‫‪Dij 0 0‬‬
‫‪δ(r0 − r0 )dV 0‬‬
‫‪6‬‬
‫| ‪@xi @xj |r − r0‬‬
‫‪Z‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪@2‬‬
‫=‬
‫‪Dij‬‬
‫[‬
‫‪δ(r0 − r0 )]dV 0‬‬
‫‪6‬‬
‫‪|r − r0 | @x0i @x0j‬‬
‫‪1‬‬
‫‪@2‬‬
‫‪ρ = Dij‬‬
‫) ‪δ(r − r0‬‬
‫‪6‬‬
‫‪@xi @xj‬‬
‫‪7‬‬
Fly UP