ID: 00002210
B нижней половине незаряженного металлического шара располагается крупная шарообразная полость, заполненная воздухом. Шар находится в воздухе вдали от других предметов. В центр полости помещён положительный точечный заряд q > 0 (см. рисунок). Нарисуйте картину линий напряжённости электростатического поля внутри полости, внутри проводника и снаружи шара.
Если поле отсутствует, напишите в данной области: E = 0. Если поле отлично от нуля, нарисуйте картину поля в данной области, используя восемь линий напряжённости. Ответ поясните, указав, какие физические закономерности Вы использовали для объяснения.
Источник: ФИПИ
Давайте идти от простого. Главное про проводник: внутри металла в электростатике поля нет, $E=0$ — свободные заряды перераспределяются так, чтобы погасить поле внутри.
Внутри полости поле создаёт точечный заряд $q$, помещённый в её центр. Раз он один и в центре — поле центрально-симметричное, как у уединённого заряда: линии идут лучами от заряда и подходят к стенке полости перпендикулярно (на стенке наводится равномерный заряд $-q$).
Снаружи шара. Шар целиком нейтрален, поэтому на его внешней поверхности оказывается заряд $+q$, и распределён он равномерно (ведь внутри металла поля нет, а посторонних предметов рядом нет). Его поле снаружи выглядит так, будто весь заряд $+q$ собран в центре шара: линии отходят радиально, перпендикулярно поверхности, и уходят в бесконечность.
1. Приведён схематический рисунок картины линий напряжённости: внутри полости — семейство прямых лучей, исходящих из заряда и приходящих на поверхность полости по нормали; снаружи шара семейство прямых лучей, исходящих с поверхности шара по нормали к ней и уходящих в бесконечность.
2. Внутри проводника - электростатическое поле E = 0.
3. Заряд q помещён в центр шарообразной полости. Поэтому его электростатическое поле в полости обладает центральной симметрией и выглядит как поле уединённого точечного заряда q > 0, находящегося в центре полости. Линии напряжённости этого поля подходят по нормали к поверхности полости, где равномерно распределён отрицательный индуцированный заряд -q < 0.
4. На наружной поверхности шара находится (в силу нейтральности шара в целом) положительный заряд q > 0. В силу того, что внутри проводника E = 0, а снаружи окружающие предметы расположены далеко от шара, этот заряд распределён по поверхности шара равномерно. Его поле вне шара выглядит как поле уединённого точечного заряда q > 0, расположенного в центре шара. Линии напряжённости отходят от шара по нормали к его поверхности.