「ガウスの法則」の問題(その2)に関する質問です。
[問題]半径aの円柱内部に総量Qの電荷が一様な体積電荷密度ρ_v[C/m^3]で分布している。円柱の内外での電界をガウスの法則から求めよ。
何冊かの書籍を参照しましたが、線状や球状の電荷に関する記述がほとんどで、全く歯がたちません。
解き方・考え方を教えてください。
ちなみに最終的な解は、E = { (ρ_v ・a^2) / (2ε_0・ρ) } a_ρ [V/m] (a < ρ) 、E = { (ρ_v ・ρ) / (2ε_0) } a_ρ [V/m] (ρ< a)
※ E、a_ρはベクトル
になるようです。
No.2ベストアンサー
- 回答日時:
円柱の長さ方向に長さLだけ切り取って考えます。
軸からの距離をrとします。
(1) r>aのとき
円柱の体積はπLa^2で、電荷はρ_vπLa^2
rの位置での円柱の面積は2πrL
電束密度D=ρ_vπLa^2/(2πrL)=ρ_va^2/(2r)
E=D/ε_0=ρ_va^2/(2ε_0r)
(2) r<aのとき
内部の電荷はρ_vπLr^2。外部の電荷の影響は打ち消しあってゼロ。
rの位置での円柱の面積は2πrL。
D=ρ_vπLr^2/2πrL=ρ_vr/2
E=D/ε_0=ρ_vr/(2ε_0)
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