Câu trả lời:
Để giải bài toán này, ta cần thực hiện các bước sau:
1. Tính điện tích các mặt trong và ngoài của \( D \).
2. Tính hiệu điện thế giữa \( A \) và \( D \).
3. Tính hiệu điện thế giữa \( A \) và đất.
Gọi:
- \( Q_A = Q \): Điện tích trên quả cầu \( A \)
- \( Q_D = -Q \): Điện tích trên vỏ cầu \( D \)
- \( a \): Bán kính của quả cầu \( A \)
- \( b \): Bán kính của mặt trong vỏ cầu \( B \)
- \( d \): Bán kính của mặt ngoài vỏ cầu \( D \)
1. Tính điện tích các mặt trong và ngoài của \( D \)
Vì vỏ cầu \( D \) là chất dẫn điện, điện tích \( -Q \) trên \( D \) sẽ phân bố như sau:
- Điện tích trên mặt trong của \( D \) sẽ là \( -Q \) để cân bằng với điện tích \( +Q \) trên \( A \).
- Điện tích trên mặt ngoài của \( D \) sẽ là \( +Q \) để đảm bảo tổng điện tích trên \( D \) là \( -Q \).
Do đó, mật độ điện tích mặt là:
- Mặt trong của \( D \):
\[ \sigma_{\text{trong}} = \frac{-Q}{4 \pi b^2} \]
- Mặt ngoài của \( D \):
\[ \sigma_{\text{ngoài}} = \frac{+Q}{4 \pi d^2} \]
2. Tính hiệu điện thế giữa \( A \) và \( D \)
Hiệu điện thế \( V \) tại khoảng cách \( r \) từ một quả cầu có bán kính \( a \) và điện tích \( Q \) được cho bởi:
\[ V(r) = \frac{Q}{4 \pi \epsilon_0 r} \]
Vì vậy, hiệu điện thế giữa \( A \) và mặt trong của \( D \) (ở khoảng cách \( b \)) là:
\[ V_{A} - V_{D_{\text{trong}}} = \frac{Q}{4 \pi \epsilon_0 a} - \frac{Q}{4 \pi \epsilon_0 b} \]
3. Tính hiệu điện thế giữa \( A \) và đất
Vì vỏ cầu \( B \) được nối đất, hiệu điện thế của nó bằng không. Do đó, hiệu điện thế giữa \( A \) và đất đơn giản là hiệu điện thế tại \( A \) trừ đi hiệu điện thế tại \( B \) (bằng không):
\[ V_{A} - V_{\text{đất}} = V_{A} - 0 = V_{A} = \frac{Q}{4 \pi \epsilon_0 a} \]
Vậy, các kết quả cuối cùng là:
1. Điện tích mặt:
- Mặt trong của \( D \): \(\sigma_{\text{trong}} = \frac{-Q}{4 \pi b^2}\)
- Mặt ngoài của \( D \): \(\sigma_{\text{ngoài}} = \frac{+Q}{4 \pi d^2}\)
2. Hiệu điện thế giữa \( A \) và \( D \):
\[ V_{A} - V_{D_{\text{trong}}} = \frac{Q}{4 \pi \epsilon_0} \left( \frac{1}{a} - \frac{1}{b} \right) \]
3. Hiệu điện thế giữa \( A \) và đất:
\[ V_{A} - V_{\text{đất}} = \frac{Q}{4 \pi \epsilon_0 a} \]
Chúc bạn học tốt nha!