球体刨去一个球问题

\color{red}{图一}

题目重现:这是一个球 O_1,电荷密度为 \rho ,现在挖去一个半径为 R_1 的球体 O_2 ,球 O_1O_2 之间的距离为 D ,求 O_2 球体腔内的任意一点的场强。
解:
设:该球体由一个圆心O_1的带正电密度+\rho的完整大球和圆心O_2带负电密度-\rho的完整小球两个对O_2内的某点的电场矢量和

如图:

\color{red}{图二}


1.证明场强处处相等:

在球内找一点p_2

如图:

O_1 P=R,O_2 P=r
现在求大球对p_2的场强:
\vec{E_R}=\frac{\vec{R}\rho}{3\epsilon_0}
\vec{E_r}=\frac{\vec{r}\rho}{3\epsilon_0}
(可由高斯定理得出,在此不予给出过程)

\vec{E_R}\vec{E_r}都是两个球对p_2点的单独场强
现在将他们根据矢量三角形求和
得:\vec{E_和}=\frac{(\vec{R}+\vec{r} )\rho}{3\epsilon_0}=\frac{\vec{O_1 O_2}\cdot\rho}{3\epsilon_0}
\vec{E_和}O_2球内是恒为定值的,故证出场强在O_2里处处相等
2.求特解:
\color{red}{图一}
存在一点P_1则是选择出的特殊点。
求两个完整球对P_1的场强和(在\color{red}{图二}中)
大球:\oint E\cdot ds=\frac{Q_p}{\epsilon_0}
O_1 P_1=D-R_2
E_大\cdot 4\pi (D-R_2)^2=\frac{4\pi (D-R_2)^3\cdot \rho}{\epsilon_0}
最后得出E_大=\frac{\rho (D-R_2)}{3\epsilon_0}
小球:\oint E\cdot ds=\frac{Q_p}{\epsilon_0}
O_2P_1=R_2
E_小\cdot 4\pi R_2^2=\frac{4\pi R_2^3\cdot \rho}{3\epsilon_0}
最后得出E_小=\frac{\rho R_2}{3\epsilon_0}
则:E_和=\frac{\rho D}{3\epsilon_0}
得解:求出大球体刨除一个小球后空腔内的场强为
E_和=\frac{\rho\cdot D}{3\epsilon_0}

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