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2.28 正三角形带电薄片(带正电荷)位于\(\,\Sigma\colon\,x+y+z=-a\)(其中\(\,a>0\))的平面上,且带电薄片限定于\(-a\le x\le 0\)与\(-a\le y\le 0\)之间,
其电荷面密度为\(\sigma\),试求出原点处的电场强度\(\boldsymbol{E}\)(矢量)
\[ \left|\overrightarrow{\boldsymbol{E}}\,\right|\,=\sqrt{3}\displaystyle\iint\limits_{\Sigma\colon\,x+y+z=-a}\dfrac{\sigma\,\,{\rm\,d}S}{4\pi\varepsilon_0\left(x^2+y^2+z^2\right)}\dfrac{\left|x\right|}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}} \]
\[
\big|\overrightarrow{\boldsymbol{E}}\big|\,\cos\langle\overrightarrow{\boldsymbol{E}},\overrightarrow{\boldsymbol{i}}\rangle=\displaystyle\iint\limits_{\Sigma\colon\,x+y+z=-a}\dfrac{\sigma\,\left|x\right|\,{\rm\,d}S}{4\pi\varepsilon_0\left(x^2+y^2+z^2\right)^{\frac{3}{2}}}
\]
\[
\big|\overrightarrow{\boldsymbol{E}}\big|\,\cos\langle\overrightarrow{\boldsymbol{E}},\overrightarrow{\boldsymbol{j}}\rangle=\displaystyle\iint\limits_{\Sigma\colon\,x+y+z=-a}\dfrac{\sigma\,\left|y\right|\,{\rm\,d}S}{4\pi\varepsilon_0\left(x^2+y^2+z^2\right)^{\frac{3}{2}}}
\]
\[
\big|\overrightarrow{\boldsymbol{E}}\big|\,\cos\langle\overrightarrow{\boldsymbol{E}},\overrightarrow{\boldsymbol{k}}\rangle=\displaystyle\iint\limits_{\Sigma\colon\,x+y+z=-a}\dfrac{\sigma\,\left|z\right|\,{\rm\,d}S}{4\pi\varepsilon_0\left(x^2+y^2+z^2\right)^{\frac{3}{2}}}
\]
\begin{align*}
\big|\overrightarrow{\boldsymbol{E}}\big|\,&=\sqrt{3}\displaystyle\iint\limits_{\Sigma\colon\,x+y+z=-a}\dfrac{\sigma\,\left|x\right|\,{\rm\,d}S}{4\pi\varepsilon_0\left(x^2+y^2+z^2\right)^{\frac{3}{2}}}\\
&=\frac{\sqrt{3}\,\sigma}{4\pi\varepsilon_0}
\displaystyle\iint\limits_{\Sigma\colon\,x+y+z=-a}\dfrac{\,\left|x\right|\,}{\left(x^2+y^2+z^2\right)^{\frac{3}{2}}}{\rm\,d}S\\
&=\frac{\sqrt{3}\,\sigma}{4\pi\varepsilon_0}
\int_{-a}^0\int_{-a-y}^0 \dfrac{\sqrt{3}\,\left|x\right|}{\left(x^2+y^2+\left(-a-x-y\right)^2\right)^{\frac{3}{2}}}{\rm\,d}x{\rm\,d}y\\
&=\frac{\sqrt{3}\,\sigma}{4\pi\varepsilon_0}
\int_{-a}^0\int_{-a-y}^0 \dfrac{\sqrt{3}\,\left|x\right|}{\left(x^2+y^2+\left(a+x+y\right)^2\right)^{\frac{3}{2}}}{\rm\,d}x{\rm\,d}y\\
&=\frac{\sqrt{3}\,\sigma}{4\pi\varepsilon_0}
\int_0^a\int_0^{a-y} \dfrac{\sqrt{3}\,x}{\left(x^2+y^2+\left(a-x-y\right)^2\right)^{\frac{3}{2}}}{\rm\,d}x{\rm\,d}y\\
&=\frac{3\,\sigma}{4\pi\varepsilon_0}
\int_0^a\int_0^{a-y} \dfrac{\,x}{\left(x^2+y^2+\left(a-x-y\right)^2\right)^{\frac{3}{2}}}{\rm\,d}x{\rm\,d}y\\
\end{align*}
当最后一行那个二重积分中的\(\,a=1\,\)时,用Wolfram Mathematica可以计算出来,利用// FullSimplify化简得到的却是一个含有复数的数值表达式。
- \!\(
- \*SubsuperscriptBox[\(\[Integral]\), \(0\), \(1\)]\(
- \*SubsuperscriptBox[\(\[Integral]\), \(0\), \(1 - y\)]
- \*FractionBox[\(x\),
- SuperscriptBox[\((
- \*SuperscriptBox[\(x\), \(2\)] +
- \*SuperscriptBox[\(y\), \(2\)] +
- \*SuperscriptBox[\((1 - x - y)\), \(2\)])\),
- FractionBox[\(3\), \(2\)]]] \[DifferentialD]x \[DifferentialD]y\)\) \
- // FullSimplify
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