Artykuł źródłowy w wersji do druku [application/pdf]: (133 KB)
Obliczyć siłę rozciągającą kołową pętlę o promieniu 10 cm równomiernie
naładowaną ładunkiem
Pozostałe niezbędne dane ocenić
orientacyjnie. Pętla jest wykonana z drutu.
Rozwiązanie
Siła
działająca na mały fragment pętli o ładunku
ze strony
wszystkich pozostałych może być obliczona jako suma sił opisanych
wzorem
gdzie symbole zostały opisane na rysunku 1. Rzut wektora
na kierunek promienia ma wartość
Jeśli siłę
spróbujemy obliczyć jako całkę (podstawiając
), to napotykamy rozbieżność typu logarytmicznego
Źródłem kłopotów jest nieuwzględnienie grubości drutu
, która
ma znaczenie dla tych jego fragmentów, które są bardzo bliskie elementu
wyróżnionego. Ograniczenie siły oddziaływania na odległości rzędu
oznacza przyjęcie dolnej granicy całkowania równej około
(zamiast
zera), czyli całka wyjdzie równa
.
Aby wyznaczyć naprężenie
pętli, można rozważyć siły działające
na jedną jej połówkę. Spójrzmy na rysunek 2 – widać, że suma rzutów sił
na oś symetrii tej połówki (czyli całka z wyrażenia
w granicach od
do
) jest równoważona przez
dwie siły
Po podstawieniu danych z treści zadania otrzymujemy
,
czyli np. dla drutu o średnicy 2 mm mamy
a dla drutu
o średnicy 0,2 mm wychodzi
Jak widać, zależność
wyniku od grubości drutu nie jest bardzo silna, jednak ma istotne znaczenie.
Efekt ten uwzględniliśmy tylko orientacyjnie.