ID: 00002983
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
Шар металлический и в целом незаряженный, а в его нижней части есть шарообразная полость, в центр которой помещён положительный точечный заряд. Опишем картину поля по областям.
Внутри полости. Положительный заряд создаёт радиальное поле: силовые линии — прямые лучи, выходящие из заряда во все стороны и приходящие к стенке полости перпендикулярно её поверхности (на проводнике линии всегда подходят по нормали).
В толще металла. Внутри проводника в равновесии электростатического поля нет: $E=0$, силовых линий там нет. Поле заряда наводит (индуцирует) на стенке полости отрицательный заряд $-q$, а на внешней поверхности шара — положительный заряд $+q$ (шар в целом нейтрален).
Снаружи шара. Наружная поверхность заряжена положительно и распределяет заряд так, как будто он находится в центре шара: снаружи поле тоже радиальное — прямые лучи, выходящие из поверхности шара по нормали к ней и уходящие 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.