-->
|
|
|
Ãëàâà 14. Ýëåêòðîñòàòèêà § 96. Ïðèìåðû ðåøåíèÿ çàäà÷ ïî òåìå «Ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ ýëåêòðîñòàòè÷åñêîãî ïîëÿ. Ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ»Ïðè ðåøåíèè çàäà÷ íàäî ó÷èòûâàòü, ÷òî ðàáîòà ñèë, äåéñòâóþùèõ íà çàðÿä ñî ñòîðîíû ïîëÿ, âûðàæàåòñÿ ÷åðåç ðàçíîñòü ïîòåíöèàëüíûõ ýíåðãèé èëè ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ (ñì. ôîðìóëó (14.20)). Ïîòåíöèàë îäíîðîäíîãî ïîëÿ îïðåäåëÿåòñÿ ôîðìóëîé (14.16), ïðè ýòîì íàäî âñåãäà óêàçûâàòü, êàê âûáðàí íóëåâîé óðîâåíü ïîòåíöèàëà. ×àñòî ïðè ðåøåíèè çàäà÷ íàäî ó÷èòûâàòü, ÷òî âñå òî÷êè ïðîâîäíèêà â ýëåêòðîñòàòè÷åñêîì ïîëå èìåþò îäèí è òîò æå ïîòåíöèàë, à íàïðÿæ¸ííîñòü ïîëÿ âíóòðè ïðîâîäíèêà ðàâíà íóëþ. Çàäà÷à 1. Îïðåäåëèòå çíà÷åíèå íàïðÿæ¸ííîñòè è ïîòåíöèàëà ïîëÿ â òî÷êå À, íàõîäÿùåéñÿ íà ðàññòîÿíèè l = 20 ñì îò ïîâåðõíîñòè çàðÿæåííîé ïðîâîäÿùåé ñôåðû ðàäèóñîì R = 10 ñì, åñëè ïîòåíöèàë ñôåðû φ0 = 240 Â. Ð å ø å í è å. Íàïðÿæ¸ííîñòü ïîëÿ ñôåðû â òî÷êå À
ãäå q0 — çàðÿä ñôåðû. Ïîòåíöèàë ñôåðû è ïîòåíöèàë ïîëÿ â òî÷êå À ðàâíû ñîîòâåòñòâåííî
Âûðàæàÿ èç ôîðìóëû (2) çàðÿä ñôåðû q0 è ïîäñòàâëÿÿ ïîëó÷åííîå âûðàæåíèå â ôîðìóëû (1) è (3), ïîëó÷àåì äëÿ íàïðÿæ¸ííîñòè Åë è ïîòåíöèàëà Ôë ñëåäóþùèå âûðàæåíèÿ: ÅA = φ0R/(R + l)2 ≈ 267 Í/Êë, φA = φ0R/(R + l) = 80 Â. Çàäà÷à 2. Êàêóþ ðàáîòó À íåîáõîäèìî ñîâåðøèòü, ÷òîáû ïåðåíåñòè çàðÿä q = 3 • 10-8 Êë èç áåñêîíå÷íîñòè â òî÷êó, íàõîäÿùóþñÿ íà ðàññòîÿíèè l = 90 ñì îò ïîâåðõíîñòè ñôåðû ðàäèóñîì R = 10 ñì, åñëè ïîâåðõíîñòíàÿ ïëîòíîñòü çàðÿäà ñôåðû σ = 2 • 10-6 Êë/ì2?
Ð å ø å í è å. Ðàáîòà, ñîâåðøàåìàÿ ïðè ïåðåíåñåíèè çàðÿäà q èç áåñêîíå÷íîñòè â òî÷êó 1 (ðèñ. 14.35), ðàâíà óâåëè÷åíèþ ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè çàðÿäà: A = ΔWï = Wï1 - W∞. Òàê êàê ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè ñôåðû ðàâíà 4πR2, òî çàðÿä ñôåðû ðàâåí 4πR2σ. Òîãäà ïîòåíöèàë ïîëÿ â òî÷êå 1
Çàäà÷à 3. Ê çàêðåïë¸ííîìó çàðÿæåííîìó øàðèêó çàðÿäîì +q äâèæåòñÿ ïðîòîí. Íà ðàññòîÿíèè r = r1 ñêîðîñòü ïðîòîíà υ1. Îïðåäåëèòå, íà êàêîå ìèíèìàëüíîå ðàññòîÿíèå ïðèáëèçèòñÿ ïðîòîí ê øàðèêó. Ð å ø å í è å. Ýíåðãèÿ ïðîòîíà íà ðàññòîÿíèè r1 ðàâíà ñóììå åãî ïîòåíöèàëüíîé è êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèé: Êóëîíîâñêàÿ ñèëà — êîíñåðâàòèâíàÿ, ñëåäîâàòåëüíî, ìîæíî çàïèñàòü çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè:
Çàäà÷à 4.  öåíòð íåçàðÿæåííîé ìåòàëëè÷åñêîé ñôåðè÷åñêîé îáîëî÷êè ñ âíóòðåííèì ðàäèóñîì R1 è âíåøíèì ðàäèóñîì R2 ïîìåùàþò çàðÿä q (ðèñ. 14.36, à). Îïðåäåëèòå íàïðÿæ¸ííîñòü è ïîòåíöèàë ïîëÿ êàê ôóíêöèè ðàññòîÿíèÿ îò öåíòðà ñôåðû. Ð å ø å í è å. Åñëè çàðÿä íàõîäèòñÿ â öåíòðå, íà âíóòðåííåé ïîâåðõíîñòè ìåòàëëè÷åñêîé îáîëî÷êè èíäóöèðóåòñÿ çàðÿä ïðîòèâîïîëîæíîãî çíàêà, à íà âíåøíåé — òîãî æå çíàêà, ÷òî è çàðÿä q. Ïðè ýòîì ñóììà èíäóöèðîâàííûõ çàðÿäîâ ðàâíà íóëþ (çàêîí ñîõðàíåíèÿ çàðÿäà). Ñèëîâûå ëèíèè ïîëÿ íà÷èíàþòñÿ íà çàðÿäå q è çàêàí÷èâàþòñÿ íà âíóòðåííåé ïîâåðõíîñòè îáîëî÷êè, à çàòåì îïÿòü íà÷èíàþòñÿ íà âíåøíåé ïîâåðõíîñòè îáîëî÷êè. Íàïðÿæ¸ííîñòü ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ âíóòðè ïðîâîäíèêà ðàâíà íóëþ. Êàðòèíà ñèëîâûõ ëèíèé ïîëÿ äàííîé ñèñòåìû àíàëîãè÷íà êàðòèíå ñèëîâûõ ëèíèé ïîëÿ òî÷å÷íîãî çàðÿäà çà èñêëþ÷åíèåì îáëàñòè, çàíèìàåìîé îáîëî÷êîé. Çäåñü ñèëîâûå ëèíèè òåðïÿò ðàçðûâ.
Íà ðèñóíêå 14.36, á èçîáðàæåíà çàâèñèìîñòü íàïðÿæ¸ííîñòè Å(r).
Ñîãëàñíî ïðèíöèïó ñóïåðïîçèöèè ïîòåíöèàë ëþáîé òî÷êè ïîëÿ ñêëàäûâàåòñÿ èç ïîòåíöèàëà ïîëÿ çàðÿäà q, ïðîâîäÿùåé ñôåðû ðàäèóñîì R1, ñ çàðÿäîì -q è ïðîâîäÿùåé ñôåðû ðàäèóñîì R2 ñ çàðÿäîì +q.
Íà ðèñóíêå 14.36, â èçîáðàæåíà çàâèñèìîñòü ïîòåíöèàëà φ(r).
Çàäà÷à 5. Ìåòàëëè÷åñêèé øàðèê ðàäèóñîì R1 = 20 ñì îêðóæèëè òîíêîé ñôåðè÷åñêîé çàðÿæåííîé îáîëî÷êîé, ðàäèóñ êîòîðîé R2 = 40 ñì è çàðÿä q = 2 • 10-6 Êë (ðèñ. 14.37). Îïðåäåëèòå ïîòåíöèàë îáîëî÷êè è çàðÿä øàðèêà ïîñëå òîãî, êàê åãî çàçåìëèëè. Ð å ø å í è å. Ïîñëå çàçåìëåíèÿ øàðèêà â ñèñòåìå áóäåò ïðîèñõîäèòü ïåðåòåêàíèå çàðÿäà äî òåõ ïîð, ïîêà ïîòåíöèàë øàðèêà íå ñòàíåò ðàâíûì íóëþ. Ïîòåíöèàë øàðèêà Çàïèøåì âûðàæåíèå äëÿ ïîòåíöèàëà îáîëî÷êè è ïîäñòàâèì â íåãî âûðàæåíèå äëÿ çàðÿäà qx øàðèêà:
Çàäà÷è äëÿ ñàìîñòîÿòåëüíîãî ðåøåíèÿ
1. Ýëåêòðè÷åñêèé çàðÿä q1 > 0 ïåðåìåñòèëè ïî çàìêíóòîìó êîíòóðó ABCD â ïîëå òî÷å÷íîãî çàðÿäà q2 > 0 (ðèñ. 14.38). Íà êàêèõ ó÷àñòêàõ ðàáîòà ïîëÿ ïî ïåðåìåùåíèþ çàðÿäà áûëà ïîëîæèòåëüíîé? îòðèöàòåëüíîé? ðàâíîé íóëþ? Êàê èçìåíÿëàñü ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ ñèñòåìû? ×åìó ðàâíà ïîëíàÿ ðàáîòà ïîëÿ ïî ïåðåìåùåíèþ çàðÿäà? 2. Äâèãàÿñü â ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå, ýëåêòðîí ïåðåø¸ë èç îäíîé òî÷êè â äðóãóþ, ïîòåíöèàë êîòîðîé âûøå íà 1 Â. Íàñêîëüêî èçìåíèëàñü êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ýëåêòðîíà? ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ ýëåêòðîíà? 3. Äâà îäèíàêîâûõ øàðèêà, èìåþùèå îäèíàêîâûå îäíîèì¸ííûå çàðÿäû, ñîåäèíåíû ïðóæèíîé, æ¸ñòêîñòü êîòîðîé k = 103 Í/ì, à äëèíà l0 = 4 ñì. Øàðèêè êîëåáëþòñÿ òàê, ÷òî ðàññòîÿíèå ìåæäó íèìè èçìåíÿåòñÿ îò 3 äî 6 ñì. Îïðåäåëèòå çàðÿäû øàðèêîâ. 4. Ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ ìåæäó òî÷êàìè, ëåæàùèìè íà îäíîé ñèëîâîé ëèíèè íà ðàññòîÿíèè 3 ñì äðóã îò äðóãà, ðàâíà 120 Â. Îïðåäåëèòå íàïðÿæ¸ííîñòü ýëåêòðîñòàòè÷åñêîãî ïîëÿ, åñëè èçâåñòíî, ÷òî ïîëå îäíîðîäíî. 5. Èçîáðàçèòå ýêâèïîòåíöèàëüíûå ïîâåðõíîñòè áåñêîíå÷íîãî ïðîâîäÿùåãî è ðàâíîìåðíî çàðÿæåííîãî öèëèíäðà. 6. Ó ýëåêòðîíà, äâèæóùåãîñÿ â ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå, óâåëè÷èëàñü ñêîðîñòü ñ υ1 ≈ 1 • 107 ì/ñ äî υ2 ≈ 3 • 107 ì/ñ. Îïðåäåëèòå ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ ìåæäó íà÷àëüíîé è êîíå÷íîé òî÷êàìè ïåðåìåùåíèÿ ýëåêòðîíà. Îòíîøåíèå çàðÿäà ýëåêòðîíà ê åãî ìàññå 7. Äâà íåáîëüøèõ ïðîâîäÿùèõ çàðÿæåííûõ øàðà ðàäèóñîì ã ðàñïîëîæåíû íà ðàññòîÿíèè I äðóã îò äðóãà (l > 2ã). Øàðû ïîî÷åð¸äíî íà íåêîòîðîå âðåìÿ çàçåìëÿþò. Îïðåäåëèòå ïîòåíöèàë øàðà, êîòîðûé áûë çàçåìë¸í ïåðâûì. Ïåðâîíà÷àëüíî êàæäûé øàð èìåë çàðÿä q.
|
|
|