¿Puede el potencial de una esfera cargada no uniforme ser el mismo que el de una carga puntual?

Todas las apuestas están desactivadas si la distribución de carga a lo largo de la superficie esférica de la carcasa no es uniforme. Para calcular el campo potencial, necesitaría hacer una integral de superficie o una integral de volumen en el caso de una esfera sólida no uniforme; en general, esto no coincidirá con una carga de punto único.

Sin embargo, se puede decir algo acerca de una distribución de carga esféricamente simétrica dentro de la esfera, es decir, la densidad de carga / matemática rho (r) / matemática en coordenadas esféricas es independiente del cenit o del ángulo acimutal. Tal distribución de carga puede considerarse como una pila concéntrica de capas esféricas uniformemente distribuidas.

Issac Newton demostró que el campo potencial que proviene de una capa esférica uniformemente distribuida de radio R, a una distancia r del centro es:
1) Si r> R: equivalente a “como si la masa / carga se concentrara completamente en el centro”
2) Si r <R: equivalente a ningún cargo en absoluto.

(De hecho, este tipo de integral de volumen / superficie fue su motivación original para crear Cálculo, haciendo de esta pregunta posiblemente el primer problema de cálculo resuelto en la historia de la humanidad).

No estoy seguro de cuál es la respuesta general, pero aún puedo decir algo.

No para un cuerpo conductor en equilibrio, ya sea una esfera o no. En un cuerpo que tiene cargas libres, como un conductor, el campo eléctrico debe ser cero en el interior, de lo contrario las cargas se acelerarían, es decir, no estarían en equilibrio. Un campo eléctrico cero significa un potencial constante, a diferencia de una carga puntual.

Si se refiere al potencial fuera del cuerpo, entonces, por implicación de la ley de Gauss, se puede probar que cualquier distribución de carga que sea uniforme bajo la rotación de la esfera tendrá el potencial de una carga puntual, no tiene que ser uniforme radialmente. Para un conductor en equilibrio, todo el exceso de carga estará en la superficie del conductor.

Creo que la respuesta a la pregunta general es que solo una carga puntual puede crear el potencial de una carga puntual en todo el espacio. No sé cómo probarlo, pero la distribución de carga es única para cualquier potencial definido en todo el espacio, por lo tanto, la única distribución de carga que puede dar el potencial de una carga puntual es solo una carga puntual. Podría ser una carga puntual incrustada en un cuerpo sin carga que ignora los efectos de polarización …

Consideremos primero qué significa “potencial eléctrico” en realidad en física. Es muy similar al “potencial gravitacional” en el sentido de que es puramente un término relativo. Un objeto no tiene un “potencial eléctrico” fijo, este término solo tiene sentido como medida relativa.

Considere una esfera hecha de poliestireno (un aislante). Incruste un condensador cargado en la superficie en algún lugar. Esto creará un campo eléctrico dipolo. En el terminal positivo del condensador, el potencial eléctrico será mayor que en el terminal negativo. Sol, el potencial eléctrico variará sobre la superficie de la esfera. Y este patrón no se parecerá en nada al campo eléctrico de una carga de un solo punto.

Este argumento se rompe si la esfera está hecha de un material conductor, ya que cortocircuitaría cualquier condensador o cualquier otra diferencia de potencial. Una esfera conductora tiene las mismas características eléctricas fuera de su superficie que una carga puntual.

Este hilo da la explicación.

Esfera cargada no uniforme