Encontrar el flujo a través de una esfera

Question

Encontrar el flujo de $\vec{F} =<0,0,z>$ a través de la esfera de radio $a$ centrada en el origen.

El Uso De Gauss Teorema De La Divergencia

$$\nabla \cdot \vec{F} = 1 \\ \therefore \int_S \vec{F}\cdot \hat{n} ~dS= \iiint_R 1 ~dV =\frac{4}{3}\pi a^3$$

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El cálculo de la superficie de la integral mediante el uso de sperical coordina $(\rho, \phi, \theta )$

$$\hat{n} = \frac{1}{a} <x,y,z> \\ \vec{F} \cdot \hat{n}=\frac{z^2}{a}$$

w.k.t

$$dS= a^2 \sin(\theta) ~ d\phi d\theta \\ z= a cos(\phi)$$

sustituyendo:

$$\int_s \vec{F}\cdot \hat{n} ~dS = \int_0^{2\pi} \int_0^\pi \frac{a^2 cos^2(\phi)}{a} a^2 \sin(\theta) ~ d\phi d\theta \\ $$

Esta integral se evalúa a cero, debido a que $sin(\theta)$ estará integrado de$0$$2\pi$.

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Me estoy poniendo las dos respuestas diferentes. A donde voy mal?

Answer 1

En coordenadas esféricos $(r,\theta,\phi)$, $z=r\cos(\theta)$ y $dS=r^2\sin(\theta)\,d\theta\,d\phi$ donde $\theta \in[0,\pi]$ y $\phi\in[0,2\pi]$.

A continuación, tenga en cuenta que

$$\int_0^{\pi}\cos^2(\theta)\sin(\theta)\,d\theta=\frac{2}{3}$$

Para

$$\oint_{|r|=a}\vec F(\vec r)\cdot \hat n\,dS=\int_0^{2\pi}\int_0^\pi \frac{a^2\cos^2(\theta)}{a}\,a^2\sin(\theta)\,d\theta\,d\phi=\frac{4\pi a^3}{3}$$

como era de esperar!