東京大学 工学系研究科 2013年8月実施 物理学2
Author
祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)
Description
真空中の接地された無限導体平面板の表面を yz 面(x=0)とする。点 (a,0,0)(a>0)に点電荷または電気双極子があり、観測点を A(x,y,z)(x>0)とする。真空の誘電率を ε0 とし、答えに至る過程も記せ。
B(a,0,0) に電荷 +q を置く。x>0 の電場は導体板を取り除き、C(−a,0,0) に像電荷 −q を置いた場合と同じである。AB、AC の距離を rAB,rAC とする。板上で原点を中心とする半径 r′ と r′+dr′ の間の微小円環の面積を dS、誘導電荷を dQ とする。
- 点 A の電位 VA を求めよ。
- 点 A の電場の x 成分 Ex を求めよ。
- 板上の表面電荷密度 σ を求めよ。
- dQ を求めよ。
- 板上の誘導電荷の総量 Q を求めよ。
中心が (a,0,0) にある双極子を考える。これは距離 b だけ離れた +q,−q からなり、双極子モーメントを p(p=∣p∣=qb)とする。中心から A への位置ベクトルを r とし、b≪r=∣r∣ とする。導体板がない場合の電位は
V≃4πε0r3p⋅r.
(a) 実双極子 p1 が +x 方向を向く場合、像双極子を p2 とする。各中心 (a,0,0),(−a,0,0) から A へのベクトルを r1,r2、その長さを r1,r2、各モーメントとの角を θ1,θ2 とする。電位と表面電荷密度を V//,σ// とする。
- V// を求めよ。
- σ// を求めよ。
(b) 実双極子 p3 が +z 方向を向く場合、像双極子を p4 とする。r3,r4,r3,r4,θ3,θ4 も (a) と同様に定義し、電位と表面電荷密度を V⊥,σ⊥ とする。
- V⊥ を求めよ。
- 板上の点 (0,0,a) における σ⊥/σ// を求めよ。
- y=0 における σ⊥ の z 依存性を図示せよ。極値があればその値を求めて図に明記せよ。

题目描述
在真空中设置接地的无限导体平板,其表面为 yz 平面(x=0)。在 (a,0,0)(a>0)放置点电荷或电偶极子,观察点为 A(x,y,z)(x>0)。真空介电常数为 ε0,各问均须给出推导。
在 B(a,0,0) 放置 +q。x>0 的电场等同于撤去平板、在 C(−a,0,0) 放置像电荷 −q 的电场。AB、AC 距离分别为 rAB,rAC。平板上以原点为圆心、半径在 r′ 与 r′+dr′ 之间的微小圆环面积为 dS,诱导电荷为 dQ。
- 求 A 的电势 VA。
- 求 A 的电场 x 分量 Ex。
- 求平板上的面电荷密度 σ。
- 求 dQ。
- 求平板上的总诱导电荷 Q。
将偶极子中心放在 (a,0,0)。它由相距 b 的 +q,−q 构成,偶极矩为 p,其大小 p=qb。从偶极子中心指向 A 的位置矢量为 r,假设 b≪r=∣r∣。无导体板时,其电势近似为
V≃4πε0r3p⋅r.
(a) 实偶极矩 p1 沿 +x,像偶极矩为 p2。从实际中心 (a,0,0) 和像中心 (−a,0,0) 指向 A 的矢量分别为 r1,r2,长度为 r1,r2,与各自偶极矩的夹角为 θ1,θ2。电势和面电荷密度记为 V//,σ//。
- 求 V//。
- 求 σ//。
(b) 实偶极矩 p3 沿 +z,像偶极矩为 p4。类似定义 r3,r4,r3,r4,θ3,θ4,电势和面电荷密度记为 V⊥,σ⊥。
- 求 V⊥。
- 求平板上 (0,0,a) 处的 σ⊥/σ//。
- 绘出 y=0 时 σ⊥ 随 z 的变化,求出极值并在图中标明。
Kai
ρ2=y2+z2、rAB=(x−a)2+ρ2、rAC=(x+a)2+ρ2 とおく。
1–2. 像電荷の電位を重ね合わせて微分すると、
VA=4πε0q(rAB1−rAC1),
Ex=−∂x∂VA=4πε0q(rAB3x−a−rAC3x+a).
3. 導体表面の境界条件 σ=ε0Ex(0+) より、
σ(y,z)=−2π(a2+y2+z2)3/2qa.
4–5. dS=2πr′dr′ なので、
dQ=−(a2+r′2)3/2qar′dr′,Q=−qa∫0∞(a2+r′2)3/2r′dr′=−q.
r−=(x−a)2+y2+z2、r+=(x+a)2+y2+z2 とおく。
1–2. 板に垂直な双極子の像は同方向、すなわち p2=p1=pex である。よって、
V//=4πε0p(r12cosθ1+r22cosθ2)=4πε0p(r−3x−a+r+3x+a).
σ//=−ε0∂x∂V//0+=2π(a2+y2+z2)5/2p(2a2−y2−z2).
3. 板に平行な双極子の像は反対方向、すなわち p4=−p3=−pez。したがって、
V⊥=4πε0p(r32cosθ3+r42cosθ4)=4πε0pz(r−31−r+31),
σ⊥=−2π(a2+y2+z2)5/23paz.
4. y=0,z=a を代入して、
σ//σ⊥=−3.
5. y=0 では、
dzdσ⊥=−2π(a2+z2)7/23pa(a2−4z2).
したがって、
z=−2az=2a:σmax=255πa324p,:σmin=−255πa324p.
原点を通る奇関数であり、z→±∞ では 0 に近づく。
