Potencial generado por una esfera hueca con un agujero

la esfera tiene radio R y le falta su "polo", lo que significa que en el área θ α no hay nada. El objeto tiene una densidad de carga homogénea. σ = q π R 2

Estoy tratando de derivar cuál es el campo interior y exterior. Debería ser un ejercicio de polinomios de Legendre. Sé que este es un problema axialmente simétrico, por lo que la solución general de la ecuación de Laplace debería ser:

ϕ ( r , θ ) = yo = 0 + ( A yo r yo + B yo r ( yo + 1 ) ) PAG yo ( porque θ )
Dónde PAG yo son los polinomios de Legendre. En mi caso, debo separar los resultados en dos áreas:
ϕ ( r < R , θ ) = yo = 0 + A yo r yo PAG yo ( porque θ )
ϕ ( r > R , θ ) = yo = 0 + B yo r ( yo + 1 ) PAG yo ( porque θ )
para que el potencial no diverja en r = 0 o r + Hay una pista en el libro para usar el hecho de que el potencial debe ser continuo y que la diferencia de derivados (es decir, la diferencia en la intensidad eléctrica: [ mi ] ) en la dirección de la normal es la densidad de carga.

La continuidad potencial es clara. Da la siguiente condición:

yo = 0 + ( A yo R yo B yo R ( yo + 1 ) ) PAG yo ( porque θ ) = 0         θ [ 0 , π ]
lo que implica
A yo B yo = 1 R 2 yo + 1
No estoy seguro de cómo usar la condición de intensidad eléctrica, porque
ϕ ( r R , θ α ) r ϕ ( r R + , θ α ) r = 0
ϕ ( r R , θ > α ) r ϕ ( r R + , θ > α ) r = σ
No estoy seguro de cómo lidiar con el hecho de que la condición es diferente para θ , > α .

El resultado debería ser:

ϕ ( r < R , θ ) = q 8 π ϵ 0 yo = 0 + 1 2 yo + 1 [ PAG yo + 1 ( porque α ) PAG yo 1 ( porque α ) ] r yo R yo + 1 PAG yo ( porque θ )
ϕ ( r > R , θ ) = q 8 π ϵ 0 yo = 0 + 1 2 yo + 1 [ PAG yo + 1 ( porque α ) PAG yo 1 ( porque α ) ] R yo r yo + 1 PAG yo ( porque θ )
¿Puede decirme cómo lidiar con la otra condición?

Gracias

Respuestas (2)

Es más fácil escribir la condición de carga como

ϕ ( r R , θ ) r ϕ ( r R + , θ ) r = σ ( θ )
y comienza calculando el operador de la izquierda. Esto es sencillo:
ϕ ( r R , θ ) r = r yo = 0 + A yo r yo PAG yo ( porque θ ) = yo = 0 + yo A yo R yo 1 PAG yo ( porque θ )
y
ϕ ( r R + , θ ) r = r yo = 0 + B yo r ( l + 1 ) P l ( cos θ ) = l = 0 + ( l 1 ) B l R l 2 P l ( cos θ ) .
Their difference is therefore
ϕ ( r R , θ ) r ϕ ( r R + , θ ) r = l = 0 + [ l R l 1 A l + ( l + 1 ) R l 2 B l ] P l ( cos θ ) = yo = 0 + ( 2 yo + 1 ) R yo 1 A yo PAG yo ( porque θ ) ,
usando la condición A l / B l = R ( 2 l + 1 ) which you already have. What you're trying to do, then, is obtaining the coefficients in the Legendre expansion of the charge function σ ( θ ) , or in other words inverting the equation
l = 0 + ( 2 l + 1 ) R l 1 A l P l ( cos θ ) = σ ( θ ) .

This is done, of course, by appealing to the polynomials' orthogonality condition,

0 π P l ( cos θ ) P n ( cos θ ) sin θ d θ = 2 δ l n / ( 2 l + 1 ) .
Integrating both sides against an arbitrary P l , you get

2 R l 1 A l = 0 π P l ( cos θ ) σ ( θ ) pecado θ d θ = σ 0 α π PAG yo ( porque θ ) pecado θ d θ ,
así que todo lo que necesita hacer ahora es integrar. Esto parece una tarea, pero es útil saber que, como principio general, las derivadas simples de polinomios ortogonales generalmente se expresan como pequeñas combinaciones lineales de polinomios adyacentes. Para los polinomios de Legendre, la identidad relevante es
( 2 l + 1 ) P l ( u ) = d d u [ P l + 1 ( u ) P l + 1 ( u ) ] .
Implementing this, you get
A l = σ 0 2 R l 1 1 cos ( α ) P l ( u ) d u = 1 2 l + 1 σ 0 2 R l 1 1 cos ( α ) d d u [ P l + 1 ( u ) P l + 1 ( u ) ] d u = 1 2 l + 1 σ 0 2 R l 1 [ P l + 1 ( u ) P l + 1 ( u ) ] 1 cos ( α ) = 1 2 l + 1 σ 0 2 R l 1 [ P l + 1 ( cos ( α ) ) P l + 1 ( 1 ) + P l 1 ( 1 ) P l + 1 ( cos ( α ) ) ] = 1 2 l + 1 σ 0 2 R l 1 [ PAG yo + 1 ( porque ( α ) ) PAG yo + 1 ( porque ( α ) ) ] .
Esto lleva al resultado que desea, constantes de módulo con las que debe tener cuidado.

Fuera de las distribuciones de carga, el general (no ϕ -dependiente) solución de Δ Φ = 0 takes the form that you described. Now, supposing that the solutions for r < R and r > R take the form that you mention, then the electrical field E = Φ will have the following values in spherical coordinates:

r < R : E r θ ϕ = l = 0 ( A l l r l 1 P l ( cos θ ) A l r l 1 P l ( cos θ ) s i n θ 0 )
r > R : E r θ ϕ = l = 0 ( B l ( l + 1 ) r ( l + 2 ) P l ( cos θ ) B l r ( l + 2 ) P l ( cos θ ) s i n θ 0 )

Thus, making use of B l = R 2 l + 1 A l , the magnitude of the normal part E r inside and outside the sphere for r=R, has the following values:

r < R : E r = R = l = 0 A l l R l 1 P l ( cos θ ) e r
r > R : E r = R + = l = 0 A l ( l + 1 ) R l 1 P l ( cos θ ) e r

Now look at the surface just enclosing the charge distribution, and apply Gauss' law S E d S = V d i v E d 3 x

Here d S is pointing outward, thus towards the origin for the inside, and away from the origin for the outside of the sphere. Maxwell equations tell us that d i v E = ρ ϵ 0 , so we find that

d i v E d 3 x = 0 2 π d ϕ α π σ ϵ 0 R 2 s i n θ d θ = 2 π α π Q π ϵ 0 s i n θ d θ = 2 Q ϵ 0 ( 1 + c o s α )

The surface integrals evaluate to

S i n s i d e E d S = 0 2 π d ϕ α π l = 0 A l l R l 1 P l ( cos θ ) R s i n θ d θ = 2 π l = 0 A l l R l α π P l ( cos θ ) s i n θ d θ
and
S o u t s i d e E d S = 0 2 π d ϕ α π l = 0 A l ( l + 1 ) R l 1 P l ( cos θ ) R s i n θ d θ = 2 π l = 0 A l ( l + 1 ) R l α π P l ( cos θ ) s i n θ d θ
So in total
S E d S = 2 π l = 0 A l ( 2 l + 1 ) R l α π P l ( cos θ ) s i n θ d θ = 2 π l = 0 A l ( 2 l + 1 ) R l c o s α 1 P l ( x ) d x
Making use of the identity ( 2 l + 1 ) P l = P l + 1 P l 1 , we get
S E d S = 2 π l = 0 A l R l 1 c o s α [ P l + 1 ( x ) P l 1 ( x ) ] d x = 2 π l = 0 A l R l [ P l + 1 ( c o s α ) P l 1 ( c o s α ) ]

This gives us a restriction on the values of A l , namely

l = 0 A l R l [ P l + 1 ( c o s α ) P l 1 ( c o s α ) ] = Q π ϵ 0 ( 1 + c o s α )
So the following will work:
A l = Q π ϵ 0 R l 1 2 l + 1 1 + c o s α P l + 1 ( c o s α ) P l 1 ( c o s α )
but I can't see how to arrive at the value given by you,
A l = Q R ( l + 1 ) 8 π ϵ 0 ( 2 l + 1 ) [ P l + 1 ( c o s α ) P l 1 ( c o s α ) ]

By the way, a similar argument as the one above, now for the surface enclosing the non-charged pole of the sphere, shows us that

S E d S = 2 π l = 0 A l R l [ P l + 1 ( c o s α ) P l 1 ( c o s α ) ] = d i v E d 3 x = 0

Claramente, esto forma una contradicción junto con la otra fórmula, por lo que las soluciones dentro y fuera de la esfera deben ser diferentes a las asumidas. No es ilógico, ya que el polo abierto permite que los campos de un lado de la esfera penetren en el otro lado, pero no está claro a qué equivale esto.

Obviamente cerca del origen todo B yo debe ser cero, y en el infinito todos A yo igualmente debe ser cero, pero ¿dónde se fusionan estas soluciones básicas? ¿Dónde están sus límites?