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東北大学 工学研究科 電気・情報系 2023年8月実施 基礎科目 問題1 電磁気学

Author

Miyake

Description

Kai

(1)

\(r \lt a\) では、導体の内部であるから、

\[ \begin{aligned} E(r) = 0 \end{aligned} \]

である。 \(a \lt r \lt b\) では、ガウスの法則より、

\[ \begin{aligned} 4 \pi r^2 E(r) &= \frac{Q_1}{\varepsilon_0} \\ \therefore \ \ E(r) &= \frac{Q_1}{4 \pi \varepsilon_0 r^2} \end{aligned} \]

である。 \(b \lt r \lt c\) では、導体の内部であるから、

\[ \begin{aligned} E(r) = 0 \end{aligned} \]

である。 \(c \lt r\) では、ガウスの法則より、

\[ \begin{aligned} 4 \pi r^2 E(r) &= \frac{Q_1+Q_2}{\varepsilon_0} \\ \therefore \ \ E(r) &= \frac{Q_1+Q_2}{4 \pi \varepsilon_0 r^2} \end{aligned} \]

である。

(2)

\[ \begin{aligned} V_c &= - \int_\infty^c E(r) dr \\ &= - \frac{Q_1+Q_2}{4 \pi \varepsilon_0} \int_\infty^c \frac{dr}{r^2} \\ &= \frac{Q_1+Q_2}{4 \pi \varepsilon_0} \left[ \frac{1}{r} \right]_\infty^c \\ &= \frac{Q_1+Q_2}{4 \pi \varepsilon_0 c} ,\\ V_a &= V_c - \int_\infty^c E(r) dr \\ &= V_c - \frac{Q_1}{4 \pi \varepsilon_0} \int_b^a \frac{dr}{r^2} \\ &= V_c + \frac{Q_1}{4 \pi \varepsilon_0} \left[ \frac{1}{r} \right]_b^a \\ &= \frac{Q_1+Q_2}{4 \pi \varepsilon_0 c} + \frac{Q_1}{4 \pi \varepsilon_0} \left( \frac{1}{a} - \frac{1}{b} \right) \end{aligned} \]

(3)

\(V_c=0\) であるから、導体球殻2の内側に \(-Q_1\) の電荷が分布する。 \(a \lt r \lt b\) における \(E(r)\) に変化はないから、

\[ \begin{aligned} V_a &= \frac{Q_1}{4 \pi \varepsilon_0} \left( \frac{1}{a} - \frac{1}{b} \right) \end{aligned} \]

であり、

\[ \begin{aligned} C &= \frac{Q_1}{V_a} \\ &= \frac{4 \pi \varepsilon_0}{\frac{1}{a} - \frac{1}{b}} \end{aligned} \]

である。

(4)

導体球殻2の電荷 \(Q_2\) のうち、内側に \(q\) 、外側に \(Q_2-q\) が分布したとする。 導体球殻2の内部で電場はないから、導体球1の外側に \(-q\) の電荷が分布する。 このとき、 (1), (2) と同じように考えて、

\[ \begin{aligned} V_c &= \frac{Q_2-q}{4 \pi \varepsilon_0 c} ,\\ V_a &= V_c - \frac{q}{4 \pi \varepsilon_0} \left( \frac{1}{a} - \frac{1}{b} \right) \\ &= \frac{Q_2-q}{4 \pi \varepsilon_0 c} - \frac{q}{4 \pi \varepsilon_0} \left( \frac{1}{a} - \frac{1}{b} \right) \end{aligned} \]

がわかる。 よって、 \(V_a=0\) から、

\[ \begin{aligned} \frac{Q_2-q}{c} &= q \left( \frac{1}{a} - \frac{1}{b} \right) \\ \therefore \ \ Q_2 &= \left( \frac{c}{a} - \frac{c}{b} + 1 \right) q \\ &= \frac{bc - ac + ab}{ab} q \\ \therefore \ \ q &= \frac{ab}{bc - ac + ab} Q_2 \\ \therefore \ \ Q_2 - q &= \frac{bc - ac}{bc - ac + ab} Q_2 \\ \therefore \ \ V_c &= \frac{Q_2}{4 \pi \varepsilon_0} \frac{b - a}{bc - ac + ab} \end{aligned} \]

がわかり、

\[ \begin{aligned} C' &= \frac{Q_2}{V_c} \\ &= 4 \pi \varepsilon_0 \frac{bc - ac + ab}{b - a} \end{aligned} \]

がわかる。