균일하게 대전된 반구의 적도면 임의의 지점에서 전기장의 방향은? (균일하게 대전된 구면 내부에서 전기장이 0이라는 사실과 중첩의 원리를 이용하면 적분을 할 필요까지는 없다)

 

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내부 한 점 P에서 전기장은 구면의 각 지점의 전하가 기여하는 전기장의 합인데, 그림처럼 대칭적으로 그린 미소 입체각에 해당하는 미소 면적(A와 C, 또는 B와 D)내의 전하가 P점에서 만드는 전기장은 방향은 서로 반대이고 크기는 같기 때문에(P에서 거리가 멀면 그 제곱에 비례해서 면적이 늘어나서 전하가 증가하지만 전기장 세기는 거리의 제곱에 반비례하므로) 상쇄되어 0이 된다(가우스 법칙으로 쉽게 보일 수도 있다). 따라서 적도면에서 같은 각만큼 기울어진 반구상의 같은 미소 입체각을 갖는 두 미소 면적 A와 B의 전하는 각 미소면적에서 P을 향하는 방향으로 방향의 전기장을 만드는데 그 크기는 같음을 알 수 있고, 더하면 적도면 수평성분은 사라져서 수직성분만 남게 된다.

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표면이 $+q$ 전하로 균일하게 대전된 반지름 $r$인 반구(hemispherical shell)가 있다.  반구의 대척점 P에서 전기장은 점전하 $+q$에서 $r$만큼 떨어진 지점에서 전기장의 몇 배일까?

1. $1-1/\sqrt{2}$

2. $1-1/\sqrt{2}$보다 작다.

3. $1-1/\sqrt{2}$보다 크다.

 

힌트: 복잡한 적분이 필요없다. solid angle 계산이 가능하면 된다.

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