Найти электрический потенциал за счет распределения линейного заряда?

Мне нужна помощь, как настроить этот интеграл

В ( r ) = 1 4 π ε 0 L ρ ' L | р - р ' | д л ' , В ( р ) знак равно 1 4 π ε 0 L ρ L ' | р - р ' | d L ' ,

У меня есть равномерный заряд линии вдоль Z Z оси и хотите рассчитать электрический потенциал между двумя точками A = ( r , ϕ , 0 ) знак равно ( р , φ , 0 ) и B = ( r В , ϕ В , 0 ) В знак равно ( р В , φ В , 0 ) (цилиндрические координаты).

Решение: линейный заряд выровнен вдоль Z Z ось и исходный вектор г = г Z ^ р знак равно Z Z ^ и вектор поля р ' = г ' р ^ + z ' Z ^ р ' знак равно р ' р ^ + Z ' Z ^ так

| р - р ' | = ( г ' ) 2 + ( z - з ' ) 2 - - - - - - - - - - - - - , | р - р ' | знак равно ( р ' ) 2 + ( Z - Z ' ) 2 ,
Я интегрирую вдоль Z ' Z ' от - - в
В ( г ) = 1 4 π ε 0 L ρ ' L | р - р ' | д л ' = ρ L 4 π ε 0 - 1 ( г ' ) 2 + ( z - з ' ) 2 - - - - - - - - - - - - - д з ' = 1 4 π ε 0 [ Ин ( з - з ' + ( г ' ) 2 + ( z - з ' ) 2 - - - - - - - - - - - - - ) ] - = - + В ( р ) знак равно 1 4 π ε 0 L ρ L ' | р - р ' | d L ' знак равно ρ L 4 π ε 0 - 1 ( р ' ) 2 + ( Z - Z ' ) 2 d Z ' знак равно 1 4 π ε 0 [ пер ( Z - Z ' + ( р ' ) 2 + ( Z - Z ' ) 2 ) ] - знак равно - +
Интеграл не определен, и я застрял здесь. Правильны ли векторы, пределы? Что я пропустил?

Спасибо!

Если я вычислю линейный интеграл электрического поля, я найду правильный потенциал (однако, я хочу вычислить с интегралом выше).

Интегрирую в радиальном направлении д d р от р р в р В р В , Электрическое поле E ( r ) = ρ L 2 π ε 0 р р ^ Е ( р ) знак равно ρ L 2 π ε 0 р р ^ так

В ( г ) = - L E ( r ) d l = ρ L 2 π ε 0 р В р 1 р d r = ρ L 2 π ε 0 пер ρ В ρ В ( р ) знак равно - L Е ( р ) d L знак равно ρ L 2 π ε 0 р р В 1 р d р знак равно ρ L 2 π ε 0 пер ρ В ρ

Вы знаете теорему Гаусса?
Если вы хотите найти значение этого интеграла, было бы проще изменить переменные: самый простой способ - это использовать угол θ θ между O A О и А М M , где M O z M О Z и О М ¯ = л О M ¯ знак равно L , Затем, l = r - r ' грех ( θ ) L знак равно | | р - р ' | | грех ( θ ) ...
@Spirine Я редактировал вопрос. Проблема была не в том, как вычислить интеграл, а в том, что он неопределенный.
Нет, ваш расчет неверен, поскольку интеграл сходится (у этой задачи есть решение, поэтому иначе быть не может)
@Sprine, пожалуйста, посмотрите мой ответ.

Ответы (2)

На самом деле, даже если общая интегральная формула не работает, так как заряд бесконечно расширяется, как правильно указано в другом ответе, есть выход с использованием подходящего обрезания и, скажем, процедуры перенормировки . Интегрировать из - L - L в L L вместо от - - в + + ,

В ( г ) = 1 4 π ε 0 [ - L , + L ] ρ ' L | р - р ' | д л ' = ρ L 4 π ε 0 + L - L 1 ( г ' ) 2 + ( z - з ' ) 2 - - - - - - - - - - - - - д з ' = 1 4 π ε 0 [ Ин | | Z - з ' + ( г ' ) 2 + ( z - з ' ) 2 - - - - - - - - - - - - - | | ] + L - L = - ρ L 4 π ε 0 пер р 2 2 л 2 + O ( 1 / л ) В ( р ) знак равно 1 4 π ε 0 [ - L , + L ] ρ L ' | р - р ' | d L ' знак равно ρ L 4 π ε 0 - L + L 1 ( р ' ) 2 + ( Z - Z ' ) 2 d Z ' знак равно 1 4 π ε 0 [ пер | Z - Z ' + ( р ' ) 2 + ( Z - Z ' ) 2 | ] - L + L знак равно - ρ L 4 π ε 0 пер р 2 2 L 2 + О ( 1 / L )
Результат, используя пер ( а N ) = n ln пер ( N ) знак равно N пер и пер ( a / b ) = ln а- л б пер ( / б ) знак равно пер - пер б может быть переписан как
В ( r ) = - ρ L 2 π ε 0 пер р + O ( ln ( L / ) ) В ( р ) знак равно - ρ L 2 π ε 0 пер р + О ( пер ( L / ) )
для произвольно фиксированной единицы длины , Теперь мы перенормируем результат, просто отбрасывая последний расходящийся член O ( ln ( L / ) ) О ( пер ( L / ) ) получение
В ( r ) = - ρ L 2 π ε 0 пер р В ( р ) знак равно - ρ L 2 π ε 0 пер р
где вы видите, что так называемые неопределенности конечной перенормировки все инкапсулированы в произвольной шкале длины , Однако на градиент найденной функции не влияет произвольный выбор ,

Если вычислить (минус) градиент найденного В В у вас есть правильное электрическое поле, также полученное по законам Гаусса и аргументам симметрии:

E ( r ) = ρ L 2 π ε 0 р р ^ , (1) (1) Е ( р ) знак равно ρ L 2 π ε 0 р р ^ ,

Существует физическая интерпретация изложенной процедуры. Вы можете рассмотреть класс заряженных сегментов длины L N L N с L N + L N + так как n + N + и вычислить В L N ( г ) В L N ( р ) для каждого L N L N где р р является фиксированной точкой в ​​пространстве. Важным наблюдением является то, что, поскольку потенциал всегда определяется с точностью до аддитивной постоянной, на каждом шаге вы можете переопределять В L N В L N вычитая константу С N С N которая логарифмически расходится как L N + L N + , Эта процедура ограничения приводит к результату, найденному выше.

Нет способа избежать введения произвольной шкалы потому что функциональная форма электрического поля (1) говорит, что любая потенциальная функция, производящая его в виде градиента, должна иметь логарифмическую форму. Однако проблема в том, что аргумент логарифма р р который имеет размерность длины. Таким образом, чтобы сделать этот аргумент безразмерным, нужно установить какой-то масштаб произвольно, который, однако, не влияет на электрическое поле, поскольку оно исчезает при вычислении производной.

Очень крутой способ думать об этом. Имеет ли В L N ( r ) V ( г ) В L N ( р ) В ( р ) так как n N , где В ( г ) В ( р ) ответ дан в спойлере ОП?
(+1) за идею перенормировки.

Это очень хороший вопрос, и я рад, что он сейчас на обмене стеков. Сначала у меня есть пара комментариев, но вы правы, что интеграл расходится.

Комментарии :

Во-первых, должно быть, что вектор поля r = r r ^ + z Z ^ р знак равно р р ^ + Z Z ^ и исходная точка задается р ' = z ' Z ^ р ' знак равно Z ' Z ^ , Затем,

| р - р ' | = г 2 + ( z - з ' ) 2 - - - - - - - - - - - , | р - р ' | знак равно р 2 + ( Z - Z ' ) 2 ,

Теперь пусть заряд на единицу длины провода будет ρ L = д Q d Z ' ρ L знак равно d Q d Z ' , Затем,

В ( г ) = 1 4 π ε 0 L ρ ' L | р - р ' | д л ' = 1 4 π ε 0 - ρ L р 2 + ( z - з ' ) 2 - - - - - - - - - - - д з ' В ( р ) знак равно 1 4 π ε 0 L ρ L ' | р - р ' | d L ' знак равно 1 4 π ε 0 - ρ L р 2 + ( Z - Z ' ) 2 d Z '

который действительно расходится.

Почему интеграл расходится:

Теперь, если вы не особенно проницательны, довольно трудно понять, почему. Причина в том, что форма потенциала, имеющегося у вас в первом уравнении, верна только тогда, когда поверхность, ограничивающая распределение заряда, находится на бесконечности . Смотри, форма для В ( г ) В ( р ) что вы используете, достигается путем нахождения интегрального решения уравнения

2 В = - ρ ε 0 , 2 В знак равно - ρ ε 0 ,

который известен как уравнение Пуассона. При умном использовании одной из многих теорем Грина, теоремы о дивергенции и других многозначных исчислений, имеющих большое значение, можно обнаружить, что наиболее общее «решение» (в кавычках, чтобы умиротворить педанты) дает

В ( r ) = 1 4 π ε 0 В ρ ( r ' ) | р - р ' | d 3 р ' + 1 4 π S ( 1 | р - р ' | В N ' - V N ' 1 | р - р ' | ) г ' В ( р ) знак равно 1 4 π ε 0 В ρ ( р ' ) | р - р ' | d 3 р ' + 1 4 π S ( 1 | р - р ' | В N ' - В N ' 1 | р - р ' | ) d '

где S S поверхность ограничивает объем В В , и N ' N ' является нормальным направлением от объема В В , Теперь для разумного, бесконечного распределения заряда, поверхность S S ограничивающая В В принимается за r р , что делает качество 1 | р - р ' | 0 1 | р - р ' | 0 и В ( r ) 0 В ( р ) 0 (по этой причине мы берем В ( г ) В ( р ) стремиться к нулю на бесконечности). В этих случаях мы возвращаем интеграл для потенциала, который у вас есть в вашем первом уравнении. Но так как ваше распределение зарядов бесконечно , вам действительно нужно принять во внимание термин, который учитывает ограничивающую поверхность. Если вы хотите, чтобы я сделал это, я могу, хотя это то, что обычно оставляют для аспирантов.

Возможно редактировать, чтобы заменить потенциал В В с φ φ чтобы избежать путаницы с объемом В В ,
@StephenG: тогда мы будем путать скалярный потенциал φ φ и угол φ φ цилиндрических координат.
(Незначительная) проблема, которую я вижу в том, что В В явно используется для двух разных вещей, тогда как угол φ φ явно не используется в этом ответе.
Во всяком случае, наша проблема здесь не в символах.
Я бы имел, если бы была какая-то двусмысленность. В этом случае я бы изменил символ объема, а не потенциала, чтобы облегчить мою жизнь.