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किसी स्थिरवैद्युत आवेश वितरण का विभव निम्न समीकरण के द्वारा दिया गया है $V(r)=\frac{q e^{-\alpha r}}{4 \pi \varepsilon_0 r}$ जहां $\alpha$ धनात्मक है। एक $1 / \alpha$ त्रिज्या के गोले, जिसका केंद्र मूल बिन्दु (origin) पर है, के अंदर कुल आवेश होगा:
$2q / 1 e$
$(1-1 / e) q$
$q/e$
$(1+1 / e) q$
Solution
$(a)$ Electric field due to given charge distribution is
$E=-\frac{d V}{d r}=-\frac{d}{d r} \frac{q e^{-\alpha r}}{4 \pi \varepsilon_{0} r}$
$=\frac{-q}{4 \pi \varepsilon_{0}} \frac{d}{d r}\left(\frac{e^{-\alpha r}}{r}\right)$
$=\frac{-q}{4 \pi \varepsilon_{0}}\left(\frac{-\alpha r e^{-\alpha \alpha_{r}}-e^{-\alpha r}}{r^{2}}\right)$
$=\frac{q}{4 \pi \varepsilon_{0}} \cdot e^{-\alpha r} \cdot\left(\frac{\alpha r+1}{r^{2}}\right)$
Elcctric field at $r=\frac{1}{1}$ is
Electric field at $r=\frac{1}{\alpha}$ is
$E\left(r=\frac{1}{\alpha}\right)=\frac{q}{4 \pi \varepsilon_{0}} \cdot e^{-\alpha \times \frac{1}{\alpha}}\left(\frac{\alpha \times \frac{1}{\alpha}+1}{1 / \alpha^{2}}\right)$
$=\frac{(q / e)}{4 \pi \varepsilon_{0}} \cdot 2 \alpha^{2}$
Flux through a sphere of radius $\frac{1}{\alpha}$ is
$\phi=\int E \cdot d A$
For spherical distribution,
$E. d A =E d A \cos 0^{\circ}=E d A$
and $E=$ uniform
So, we have
$\therefore \quad \phi=E \int d A$
$=\frac{ q / e}{4 \pi \varepsilon_{0}} \cdot 2 \alpha^{2} \cdot 4 \pi\left(\frac{1}{\alpha}\right)^{2}$
or $\quad \phi=\frac{2 q}{\varepsilon_{0} e}$
From Gauss' law, we have $\phi=\frac{q_{\text {enclosed }}}{\varepsilon_{0}}$
So, charge enclosed in given sphere is $\frac{2 q}{e}$.
