题目
已知半径r=a的导体球面上分布着面电荷密度为ρS=ρS0cosθ的电荷,式中的ρS0为常数。试计算球面上的总电荷量。
已知半径r=a的导体球面上分布着面电荷密度为ρS=ρS0cosθ的电荷,式中的ρS0为常数。试计算球面上的总电荷量。
题目解答
答案
球面上的总电荷量等于面电荷密度沿r=a的球面上的积分,即 q=∫SρSdS=∫SρS0cosθdSr=∫0πρS0cosθ2πa2sinθdθ=0
解析
本题考查利用面电荷密度计算导体球面上的总电荷量,解题思路是根据总电荷量等于面电荷密度在球面上的积分这一原理,通过建立合适的积分表达式并进行计算得出结果。
- 首先明确总电荷量的计算公式:
- 对于面电荷分布,总电荷量 $q$ 等于面电荷密度 $\rho_S$ 沿球面 $S$ 的积分,即 $q = \int_S \rho_S dS$。已知导体球半径 $r = a$,面电荷密度 $\rho_S=\rho_{S0}\cos\theta$,所以 $q=\int_S \rho_{S0}\cos\theta dS$。
- 然后确定球面上面积元 $dS$ 的表达式:
- 在球坐标系中,半径为 $a$ 的球面上的面积元 $dS = a^2\sin\theta d\theta d\varphi$,其中 $\theta$ 是极角,$\varphi$ 是方位角。
- 接着将 $dS$ 代入积分式并确定积分限:
- 对整个球面进行积分,$\varphi$ 的积分范围是从 $0$ 到 $2\pi$,$\theta$ 的积分范围是从 $0$ 到 $\pi$。则 $q=\int_{0}^{2\pi}d\varphi\int_{0}^{\pi}\rho_{S0}\cos\theta\cdot a^2\sin\theta d\theta$。
- 先对 $\varphi$ 积分:$\int_{0}^{2\pi}d\varphi=\left[\varphi\right]_{0}^{2\pi}=2\pi$。
- 此时积分式变为 $q = 2\pi a^2\rho_{S0}\int_{0}^{\pi}\cos\theta\sin\theta d\theta$。
- 最后计算关于 $\theta$ 的积分:
- 令 $u=\sin\theta$,则 $du=\cos\theta d\theta$。当 $\theta = 0$ 时,$u = 0$;当 $\theta=\pi$ 时,$u = 0$。
- 那么 $\int_{0}^{\pi}\cos\theta\sin\theta d\theta=\int_{0}^{0}u du = 0$。
- 所以 $q = 2\pi a^2\rho_{S0}\times0=0$。