Метод изображений для заряженных систем

Краткая теория

К отдельному классу задач относится определение распределения электрического поля от заданной системы зарядов, находящейся вблизи проводника или границы раздела двух диэлектриков. Под действием поля заданных зарядов возникает перераспределение свободных зарядов в проводнике или связанных зарядов на границе раздела диэлектриков, которые в свою очередь влияют на электрическое поле в пространстве. Решение задач указанного типа осложняется тем, что распределение индуцированных зарядов не известно. В ряде случаев на помощь приходит метод изображений.

Если $\Omega$ - область пространства, расположенная по ту же сторону от границы раздела с проводником или другим диэлектриком, что и заданная система зарядов, то в соответствии с методом изображений среда, заполняющая $\Omega$, мысленно распространяется на все пространство, а исключенные таким образом проводники или диэлектрики заменяются фиктивными зарядами. Если при этом удается добиться того, чтобы значение потенциала на всей границе области $\Omega$ совпало с истинным, то краевая задача о решении уравнения Пуассона в области $\Omega$ оказывается идентичной той, которая сформулирована для исходной системы. Найденное решение, в силу его единственности, является решением поставленной задачи.

Краевое условие обычно формулируется в виде граничных условий $\Delta D_n= 0,\; \Delta E_{\tau}=0$ для границы раздела диэлектриков и $\varphi=\rm{const}$ для поверхности проводника. Например, поле точечного заряда $q$, расположенного в вакууме вблизи плоской проводящей пластины, находится как суперпозиция поля самого заряда и заряда-изображения $q^*=-q$, расположенного симметрично оригиналу относительно плоскости проводника. При этом все пространство мысленно заполняется вакуумом (т. е. проводник исключается из системы), а полученное суперпозицией поле совпадает с истинным только в том же полупространстве, в котором расположен заряд-оригинал. Как нетрудно убедиться, при выбранном положении и величине заряда-изображения всюду на границе $E_{\tau}=0$, что равносильно условию $\varphi=\const$.

С другими примерами задач на метод изображений можно познакомиться в задачниках [1] и [6].

Задача №552

Заземление создается металлическим шаром радиуса $a$, закопанным на глубину $h>>a$. Напряжение на шар подается через тонкий идеально проводящий изолированный от земли провод. На какую величину $\Delta R$ изменится сопротивление такого заземления, если глубину залегания шара увеличить в 2 раза? Проводимость земли равна $\sigma$, проводимость воздуха равна нулю.

Показать решение

Задача №549

Верхнее полупространство $(z > 0)$ пусто, а нижнее заполнено диэлектриком с диэлектрической проницаемостью $\varepsilon$. Над диэлектриком на одинаковом расстоянии $a$ от его плоской границы и на расстоянии $l$ друг от друга расположены точечные заряды $q_1$ и $q_2$. Найти проекции силы, действующей на заряд $q_2$, на вертикальное $(F_z)$ и горизонтальное $(F_x)$ направления.

Показать решение

Задача №548

Верхнее полупространство $(z > 0)$ пусто, а нижнее заполнено диэлектриком с диэлектрической проницаемостью $\varepsilon$. Внутри диэлектрика на одинаковом расстоянии $a$ от его плоской границы и на расстоянии $l$ друг от друга расположены точечные заряды $q_1$ и $q_2$. Найти проекции силы $\vec{F}$, действующей на заряд $q_2$, на вертикальное $(F_z)$ и горизонтальное $(F_x)$ направления.

Показать решение

Задача №500

Два одинаковых идеально проводящих шарика радиуса $a$ расположены на одинаковом расстоянии $h \gg a$ по разные стороны от плоской границы раздела двух сред с проводимостями $\sigma_1$ и $\sigma_2$ так, что прямая, соединяющая центры шариков перпендикулярна границе раздела. Найти сопротивление между шариками.

Показать решение

Задача №491

К плоской горизонтальной границе диэлектрика с проницаемостью $\varepsilon$, занимающего верхнее полупространство, поднесли проводящую пластину площадью $S$ и массой $m$. Какой минимальный заряд следует сообщить пластине, чтобы она не упала? Ускорение свободного падения $g$.

Показать решение

Задача №490

Точечный диполь $\vec{d}$ закреплён на расстоянии $h$ от плоской границы проводника. Найти распределение поверхностной плотности $\sigma$ индуцированного заряда на границе, если $\vec{d}$ параллелен границе.

Показать решение

Задача №466

На некотором расстоянии от плоской границы раздела двух проводящих сред с проводимостями $\sigma_1$ и $\sigma_2$ находится точечный источник тока $I_0$ (в среде с проводимостью $\sigma_1$). Найти ток $I$, протекающий через область границы, имеющую форму круга с осью, проходящей через источник, и угловой радиус, видимый из источника, равный $\theta$.

Показать решение

Задача №465

На некотором расстоянии от плоской границы раздела двух диэлектриков с диэлектрическими проницаемостями $\varepsilon_1$ и $\varepsilon_2$ находится точечный заряд $q$ (в среде с проницаемостью $\varepsilon_1$). Найти поток $\Phi$ напряженности электрического поля $\vec{E}$ через область границы (включая границу), имеющую форму круга с осью, проходящей через источник, и угловой радиус, видимый из источника, равный $\theta$.

Показать решение

Задача №422

Оголенный конец изолированного провода, по которому течет ток $I$, погружен в проводящую жидкость, занимающую все пространство. Ток из провода растекается на бесконечность. На расстоянии $l$ от конца провода находится идеально проводящий $(\sigma = \infty)$ шар радиуса $R$ $(R < l)$. Найти объемную плотность тока $\vec{j}(\vec{r})$ в жидкости.

Показать решение

Задача №420

Оголенный конец изолированного провода, по которому течет ток $I$, погружен в проводящую жидкость, занимающую сферическую полость радиуса $R$ внутри идеального проводника, и находится на расстоянии $l$ от центра сферической полости $(l < R)$. Ток из провода растекается на бесконечность. Найти объемную плотность тока $\vec{j}(\vec{r})$ во всем пространстве.

Показать решение

Задача №380

Конец провода, по которому течет ток $I_0$, касается тонкой однородной проводящей поверхности, занимающей область $z = 0$, $x\geq 0$, $y \geq 0$ в точке, равноудаленной на расстояние $a$ от ее краев. Найти распределение поверхностных токов $\vec{i}(\vec{r})$.

Показать решение

Задача №379

Конец провода, по которому течет ток $I_0$, касается полубесконечной тонкой однородной проводящей поверхности в точке, удаленной на расстояние $a$ от ее края. Найти распределение поверхностных токов $\vec{i}(\vec{r})$.

Показать решение

Задача №332

В верхнем полупространстве, заполненном проводимостью $\sigma$, на расстоянии $l/2$ от границы находятся два идеально проводящих шарика радиуса $a$. Расстояние между шариками $l$ $(l \gg a)$. Нижнее полупространство непроводящее. Найти сопротивление между шариками.

Показать решение

Задача №323

Верхнее полупространство заполнено диэлектриком с проницаемостью $\varepsilon$, нижнее – вакуум. Найти работу, которую надо совершить, чтобы переместить точечный заряд $q$ из точки, отстоящей от границы раздела на расстояние $b$, в точку на расстояние $a$.

Показать решение

Задача №322

Верхнее полупространство заполнено диэлектриком с проницаемостью $\varepsilon$, нижнее – вакуум. Найти работу, которую надо совершить, чтобы переместить точечный заряд $q$ из одной точки в другую. Начальная точка отстоит от границы раздела на расстояние $b$, конечная – на $a$.

Показать решение

Задача №284

Четыре электрода помещены в проводящее полупространство с горизонтальной границей, разделённое вертикальной границей на две области удельной проводимостью $\sigma_1$ и $\sigma_2$, диэлектрической проницаемостью $\varepsilon_1$ и $\varepsilon_2$. В симметричных относительно вертикальной границы точках А и В подключён источник тока, а в точках М и N измеряется напряжение. Найти ''кажущееся'' сопротивление $R^*=\frac{U_{MN}}{I_{AB}}$, если AM=MN=NB=$l$ и лежат в одной плоскости (схема Веннера). Проверить ответ при $\sigma_1 =\sigma_2 =\sigma$.

Показать решение

Задача №278

Из бесконечности с нулевой начальной скоростью на изолированную проводящую сферу с радиусом $R$ падает частица с зарядом $q$ и массой $m$. Найти, какую скорость $v$ будет иметь частица на расстоянии $l >R$ от центра сферы.

Показать решение

Задача №213

На бесконечно протяженном проводнике, поверхность которого образует прямой двугранный угол, имеется сферический выступ радиуса $a$ с центром на ребре. Заряд $q$ поместили в плоскости, перпендикулярной граням двугранного угла, проходящей через центр сферического выступа, на расстоянии $a$ от каждой из граней. Найти первый неисчезающий член в разложении потенциала $\varphi(\vec{r})$ на больших расстояниях $r\gg a$.

Показать решение

Задача №212

Два одинаковых точечных заряда $q$ закреплены на расстоянии $2l$ друг от друга. Между ними помещают незаряженный проводящий шарик радиуса $a < l$, так что центр шарика оказывается посередине между зарядами (см. рисунок). Найти первый неисчезающий член в разложении изменения потенциала $\Delta\varphi(\vec{r})$ на больших расстояниях $r\gg 2l$, возникшего за счет шарика.

Показать решение

Задача №176

Штыревая антенна находится на биссектрисе прямого двугранного угла, образованного двумя полубесконечными идеально проводящими плоскостями, на расстоянии a от вершины угла. Найти угловое распределение интенсивности $\frac{dI(\alpha)}{d\Omega}$ в плоскости, перпендикулярной штырю антенны и проводящим плоскостям (угол $\alpha$ отсчитывается от биссектрисы, в отсутствие стенок $\frac{dI}{d\Omega}=\const$). При каком минимальном ненулевом расстоянии $a$ будет наблюдаться максимум излучения в направлении биссектрисы?

Показать решение

Задача №159

В проводящем полупространстве $x$>0, на расстоянии $l$ от его поверхности образовалась сферическая непроводящая полость радиуса $a$ (см. рис.), полупространство $x$<0 не проводящее. В проводнике протекает ток, объемная плотность которого вдали от полости постоянна, направлена по оси $z$ и равна $j_0$. Считая полость малой $a\ll l$, найти плотность тока $j(z)$ на оси $z$ с учетом первого ненулевого члена разложения по малому параметру $a/l$. (5 б)

Показать решение

Задача №153

Оголенный конец изолированного провода оказался в морской воде (то есть проводящей среде) на глубине $h$ от поверхности моря, как показано на рисунке. В результате из провода в воду потек ток $I$. Проводимость верхнего полупространства (воздуха) считать равной нулю. Найти объемную плотность тока в воде вблизи поверхности, т.е. $\vec{j}(r)$ при $z=0$, $r$ – расстояние до оси $z$. (Подсказка - воспользуйтесь методом изображения).

Показать решение

Задача №123

На расстоянии $l$ от центра заземленной проводящей сферы радиуса $a$ ($a<l$) расположен точечный диполь $\vec{p}=p\vec{e}_z$ (см. рис.). Найти силу $\vec{F}$, действующую на диполь. К отталкиванию или притяжению приводит эта сила?

Показать решение

Задача №53

Система двух тонких концентрических проводящих полуколец с зарядами $Q$ и $q$ и радиусами $a$ и $b$ помещена по центру заземленной проводящей сферы радиуса $R>a>b$. Найти потенциал в центре сферы в случае, когда плоскости колец перпендикулярны.

Показать решение

Задача №14

На расстоянии $a$ от полупространства, заполненного однородным диэлектриком с проницаемостью $\varepsilon $, закреплен центр точечного диполя с дипольным моментом $d$. Диполь может свободно вращаться, изменяя направление вектора $\vec{d}$. Параллельно границе полупространства приложено однородное внешнее электрическое поле $\vec{E}$. Найти установившееся равновесное значение угла $\alpha $ между направлением $\vec{E}$ и $\vec{d}$

Показать решение

Задача №10

Заземление представляет собой идеально проводящий шар радиуса $a$, помещенный в бесконечную среду с проводимостью $\sigma$.
1. Найти сопротивление заземления.
2. Найти сопротивление заземления, если в среде образовалась сферическая полость радиуса $b$, заполненная идеальным проводником (внутри полости $\sigma_{in}=\infty$), расстояние между центрами заземляющего шара и полости равно $l$.
3. Найти сопротивление заземления, если полость не проводит ток (внутри полости $\sigma_{in}=0$). Качественно нарисовать линии тока во всех случаях, $l>a+b$, $a\ll b,l-b$.

Показать решение