Potentiaal binnen een isolerende bol

Moderators: ArcherBarry, Fuzzwood

Berichten: 244

Potentiaal binnen een isolerende bol

Gegeven is een isolerende bol, straal R, met uniforme ladingsdichtheid. Geef een uitdrukking voor de potentiaal binnen de bol. Neem hiervoor V(oneindig)=0.

Ik zou dit probleem als volgt oplossen:

Omdat er uniforme ladingsdichtheid is kunnen we schrijven:
\(\rho=\frac{dQ}{dV}\)
<=>
\(dQ=\rho*4{\pi}r^2dr\)
Omdat we V(oneindig)=0 mogen nemen kunnen we schrijven voor r<R:
\(V=\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\int{\frac{dQ}{r}}=\frac{1}{4{\pi}\epsilon_0}\int_0^r{\rho*4{\pi}r}dr=\frac{{\rho}r^2}{2\epsilon_0}\)
Omdat we ook tenslotte mogen opschrijven (lading is uniform):
\(\rho=\frac{Q}{V}=\frac{3Q}{4{\pi}R^3}\)
Dus:
\(V=\frac{1}{4{\pi}\epsilon_0}\frac{3Qr^2}{2R^3}\)
Nu is mijn vraag, wat doe ik fout? Ik zie dit namelijk echt niet....

Gebruikersavatar
Berichten: 3.751

Re: Potentiaal binnen een isolerende bol

flamey schreef:Omdat we V(oneindig)=0 mogen nemen kunnen we schrijven voor r<R:
\(V=\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\int{\frac{dQ}{r}}\)
Dit klopt niet. Je verwart tussen de bolcoördinaat r en de afstand r tussen de lading en het punt waar je de potentiaal berekent.

Neem gewoon een bol met straal r (bolcoördinaat) en stel
\(V=\frac{Q_{in}}{4\pi\eps_0 r}\)
, met
\(Q_{in}=\rho \frac{4}{3}\pi r^3\)
. Kom je er nu wel uit?

Berichten: 244

Re: Potentiaal binnen een isolerende bol

Niet echt.

Ik zit me af te vragen of dit probleem wel met een integratie uitgevoerd kan worden... Als we de bol zien als een verzameling van puntladingen is er vrijwel geen geschikte integratie te vinden om de potentiaal uit te rekenen. De potentiaal die ik heb gevonden geldt dus alléén voor een punt in het middelpunt van de bol.

Hoe kom je trouwens aan
\(V=\frac{Q_{in}}{4\pi\eps_0 r}\)
? De lading buiten het oppervlak is hier dan toch niet mee ingesloten? Deze veroorzaakt toch wel een potentiaal?

De potentiaal uitrekenen uit het elektrische veld lukt overigens wel (het veld is uit de Wet van Gauss te halen).

Gebruikersavatar
Berichten: 3.751

Re: Potentiaal binnen een isolerende bol

je hebt gelijk, dat gaat ook niet lukken (was te snel, sorry).

Correcte integraal:
\(\int_0^R\int_0^{\pi}\frac{\rho}{2\epsilon_0}\frac{r'^2}{\sqrt{r'^2sin(\theta)^2+(r'cos(\theta)-r)^2}}sin(\theta)d\theta dr'\)
Dat zal allicht nog met de hand gaan, als je je verveelt.

Gebruikersavatar
Pluimdrager
Berichten: 6.590

Re: Potentiaal binnen een isolerende bol

Stel: De straal van de bol =R

Voor afstanden r> R mag je de totale elektr. lading vna de bol geconcentreerd denken in het middelpunt van de bol.

De potentiaal V is dan :
\(V=k.\frac{Q}{r}\)
Laten we aannemen dat de lading positief is.
\(Q=\rho .V=\rho .\frac{4}{3}.\pi .R^3\)
De elektr. potentiaal aan de rand van de bol is dus:
\(V=\frac{\rho .R^2}{3.\epsilon_{0}}\)
De elektrische veldsterkte neemt rechtevenredig toe met de straal r, als je van r=0 naar r=R gaat.

De elektr. potentiaal zal dan afnemen, als je van r=0 naar r=R gaat, en rechtevenredig zijn met r (kwadraat).

Gebruikersavatar
Berichten: 2.242

Re: Potentiaal binnen een isolerende bol

Het is niet zo moeilijk om via de wet van Gauss te vinden dat het elektrisch veld binnen in de bol (dus voor r < R) gelijk is aan
\(E = k_e \frac{Q}{R^3}r\)
. Noem C een punt op de bol en noemd D een punt in de bol op afstand r van het centrum. Dan is
\(V_C = k_e \frac{Q}{R}\)
met
\(k_e = \frac{1}{4 \pi \varepsilon_0}\)
en dan is
\(V_D - V_C = - \int\limits^r_R E_rdr = - \frac{K_eQ}{R^3} \int\limits^r_R r \ dr = \frac{K_eQ}{2R^3} \left(R^2 - r^2 \right)\)
Maar
\(V_C = k_e \frac{Q}{R}\)
dus
\(V_D = \frac{K_eQ}{2R^3} \left(R^2 - r^2 \right) + k_e \frac{Q}{R} = \frac{K_eQ}{2R} \left( 3 - \frac{r^2}{R^2} \right)\)
V_D is dan de potentiaal in een punt D in de bol.

Gebruikersavatar
Berichten: 3.751

Re: Potentiaal binnen een isolerende bol

De elektrische veldsterkte neemt rechtevenredig toe met de straal r, als je van r=0 naar r=R gaat.
Dit willen we toch juist aantonen, met de integraalmethode? (dus zonder Gauss op de sferen toe te passen)

Berichten: 244

Re: Potentiaal binnen een isolerende bol

Inderdaad, de potentiaal binnen de bol berekenen lukt inderdaad met de Wet van Gauss. Ik wil het echter op de moeilijke manier ook kunnen 8-) . Ik zoek hierbij een uitdrukking voor een willekeurig punt binnen de bol, dus niet op een specifiek punt (zoals de rand). De wiskunde zal hierbij niet het probleem zijn, het grote probleem bij mij is het opstellen van een juiste integratie.

Eendavid hoe kom je aan de integraal:
\(\int_0^R\int_0^{\pi}\frac{\rho}{2\epsilon_0}\frac{r'^2}{\sqrt{r'^2sin(\theta)^2+(r'cos(\theta)-r)^2}}sin(\theta)d\theta dr'\)
? Het antwoord heb ik hier wel liggen, het gaat me uiteraard om de methode :D

Gebruikersavatar
Berichten: 3.751

Re: Potentiaal binnen een isolerende bol

Beschouw een punt op de bol met straal r, en voer bolcoördinaten in met de z-as naar dat punt geöriënteerd.
\(dV=r'^2sin(\theta)d\theta dr'd\phi\)
, de integrate over
\(\phi\)
geeft
\(2\pi\)
en afstand van het bolpuntpunt naar het integratiepunt staat in de noemer.

Gebruikersavatar
Pluimdrager
Berichten: 6.590

Re: Potentiaal binnen een isolerende bol

Volgens mij is het antwoord van Rov helemaal goed.

Ik heb het op een iets andere manier berekent, en kom dan op dezelfde formule uit als Rov.

Stel: Het middelpunt van de bol valt samen met de oorsprong van het xyz-assenstelsel.

Straal bol =R

Ik heb het verloop van de elektr. potentiaal langs de positieve x-as berekent. Vanwege de bolsymmetrie is het verloop van de elektr. potentiaal in elke andere richting hetzelfde.
\(V_{x}=\frac{- \rho}{6.\epsilon_{0}} .x^2 + \frac{\rho .R^2}{2.\epsilon_{0}}\)

Gebruikersavatar
Pluimdrager
Berichten: 6.590

Re: Potentiaal binnen een isolerende bol

Het antwoord van Rov is helemaal goed en bovendien knap gevonden.

Een professionele afleiding !!!!

Gebruikersavatar
Berichten: 2.242

Re: Potentiaal binnen een isolerende bol

Bedankt, oefening baart kunst zou ik zeggen. Veel sommetjes maken dus :D .
Ik zoek hierbij een uitdrukking voor een willekeurig punt binnen de bol, dus niet op een specifiek punt (zoals de rand).
Dat doe ik toch niet? Ik geef toch een uitdrukking voor een willekeurig punt in de bol.

Gebruikersavatar
Pluimdrager
Berichten: 6.590

Re: Potentiaal binnen een isolerende bol

Als je in de formule van Rov de Q vervangt door:
\(Q=\rho .\frac{4}{3}.\pi .R^3\)
dan krijg je gewoon de formule die in mijn bericht staat.

Je mag in mijn formule de x door r vervangen.
\(V_{x}=\frac{- \rho}{6.\epsilon_{0}} .r^2+\frac{\rho .R^2}{2 .\epsilon_{0}}\)

Gebruikersavatar
Pluimdrager
Berichten: 6.590

Re: Potentiaal binnen een isolerende bol

[attachment=318:scan0013.jpg]

Gebruikersavatar
Lorentziaan
Berichten: 1.433

Re: Potentiaal binnen een isolerende bol

Als het hier om de potentiaal gaat van een massieve bol met een uniforme ladingsdichtheid over het hele volume van de bol (dus niet over een bolschil), dan zou de limiet van de helling van de potentiaalkromme aan het oppervlak van de bol (r = R) komend van zowel van binnen de bol als van buiten de bol dezelfde moeten zijn. Misschien een schetsfoutje, maar in aadkr's tekening zie ik dat nog niet terug...daar zit een knik in bij r = R. Volgens mij moet die overgang dus vloeiend zijn.

Reageer