真空中均匀带电球壳表面与球心处电势差计算(以无限远为电势零点)
由于球壳是均匀带电的,所以球壳内部的电场为零。因此,球心B处的电势为:
$$V_B = \frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Q}{r}$$
其中,$\epsilon_0$为真空介电常数。
对于点A,我们可以将球壳看作是由无数个小电荷组成的,每个小电荷产生的电势为:
$$dV = \frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{dq}{r_A}$$
其中,$dq$为球壳上的小电荷,$r_A$为点A到该小电荷的距离。
由于球壳是均匀带电的,所以每个小电荷产生的电势相等,可以将球壳分成无数个小电荷,每个小电荷的电荷量为$dq = \frac{Q}{4\pi r^2}dS$,其中$dS$为球壳上的小面积。
因此,点A的电势为:
$$V_A = \int_{S} dV = \int_{S} \frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Q}{r_A}\frac{1}{4\pi r^2}dS$$
其中,积分范围为球壳表面。
将$r_A$代入上式,得到:
$$V_A = \frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Q}{2r}\int_{S} \frac{1}{r}dS$$
由于球壳是一个球面,所以$dS = r^2\sin\theta d\theta d\phi$,其中$\theta$和$\phi$为球面坐标系中的角度。
将$dS$代入上式,得到:
$$V_A = \frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Q}{2r}\int_{0}^{2\pi}\int_{0}^{\pi} \frac{1}{r}r^2\sin\theta d\theta d\phi = \frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Q}{2r}\cdot 4\pi = \frac{1}{2}\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Q}{r}$$
因此,A点和B点之间的电势差为:
$$\Delta V = V_A - V_B = \frac{1}{2}\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Q}{r} - \frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Q}{r} = -\frac{1}{2}\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Q}{r}$$
答案为$-\frac{1}{2}\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Q}{r}$。
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