נתון קוודרופול חשמלי המורכב מקונפיגורציית מטענים \left(q,-2q,q\right) סביב הראשית במרחק d בין שני מטענים צמודים. מצאו את הפוטנציאל ואת השדה החשמלי בכל r\gg d.
חשמל ומגנטיות · פיתוח 6
שדה ופוטנציאל של קוודרופול חשמלי
ניסוח מלא
פתרון
נגזור את השדה של דיפול:
V_{quad}\left(\vec{r}\right)=V_{dip}\left(\vec{r}\right)-V_{dip}\left(\vec{r}-d\hat{z}\right)=-d\frac{d}{dz}\left(\frac{qdz}{4\pi\varepsilon_{0}r^{3}}\right)=-\frac{qd^{2}}{4\pi\varepsilon_{0}}\left(\frac{1}{r^{3}}-\frac{3z\cdot z/r}{r^{4}}\right)=\frac{qd^{2}}{4\pi\varepsilon_{0}}\frac{3\cos^{2}\theta-1}{r^{3}}
נגזור את הפוטנציאל כדי לקבל את השדה:
E_{quad,r}=-\frac{\partial V_{quad}}{\partial r}=\frac{3qd^{2}}{4\pi\varepsilon_{0}}\frac{3\cos^{2}\theta-1}{r^{4}}
E_{quad,\theta}=-\frac{1}{r}\frac{\partial V_{quad}}{\partial\theta}=\frac{3qd^{2}}{2\pi\varepsilon_{0}}\frac{\cos\theta\sin\theta}{r^{4}}
נחשב גם לפי נגזרת:
\begin{align*}
\vec{E}_{quad}\left(r\right) & =-d\cdot\frac{d}{dz}\vec{E}_{dip}=-\frac{qd^{2}}{4\pi\varepsilon_{0}}\frac{d}{dz}\left(\frac{\hat{z}}{r^{3}}-\frac{3z\vec{r}}{r^{5}}\right)=-\frac{qd^{2}}{4\pi\varepsilon_{0}}\left(-\frac{3z\hat{z}}{r^{5}}-\frac{3\vec{r}}{r^{5}}-\frac{3z\hat{z}}{r^{5}}+\frac{15z^{2}\vec{r}}{r^{7}}\right)\\
& =\frac{3qd^{2}}{4\pi\varepsilon_{0}}\left(\frac{2z\hat{z}}{r^{5}}+\frac{\vec{r}\left(1-5\cos^{2}\theta\right)}{r^{5}}\right)=\frac{3qd^{2}}{4\pi\varepsilon_{0}}\left(\frac{\left(1-5\cos^{2}\theta\right)\hat{r}+2\cos\theta\hat{z}}{r^{4}}\right)
\end{align*}
וזה אכן מתלכד עם מה שחישבנו מגזירה ישירה.
הערה: שימו לב שאת השדה של הדיפול הבענו בצורה וקטורית וכאן כתבנו את זה סקלרית. הסיבה לכך היא שכדי להביע את זה וקטורית צריך להשתמש בטנזור הקוודרופול בעוד שהדיפול הוא פשוט וקטור.
ניסיונות וטבלת שיאים
אף אחד עוד לא פתר את הפיתוח הזה.
אין עדיין ניסיונות.