Задачи
Электротехника
Реактор
Лекции
ПК
Электроника
ВВЭР-1200
Геометрия
Физика
Информатика
АЭС
Задачи
Строймех
Контрольная
Энергетика
Решения

Решение задач по физике Работа расширения газа

Электростатика

Закон Кулона. Взаимодействие заряженных частиц

Основные формулы

· Закон Кулона

,

где F — сила взаимодействия двух точечных зарядов Q1, и Q2; r — расстояние между зарядами; e — диэлектрическая проницаемость среды; e0 — электрическая постоянная:

.

Закон сохранения заряда

,

где  — алгебраическая сумма зарядов, входящих в изолированную систему; n — число зарядов.

Примеры решения задач

Пример 1. Три одинаковых положительных заряда Q1=Q2=Q3=1 нКл расположены по вершинам равностороннего треугольника (рис. 13.1). Какой отрицательный заряд Q4 нужно поместить в центре треугольника, чтобы сила притяжения с его стороны уравновесила силы взаимного отталкивания зарядов, находящихся в вершинах?

Решение. Все три заряда, расположенных по вершинам треугольника, находятся в одинаковых условиях. Поэтому для решения задачи достаточно выяснить, какой заряд следует поместить в центре треугольника, чтобы один из трех зарядов, например Q1,

находился в равновесии.

В соответствии с принципом суперпозиции на заряд действует каждый заряд независимо от остальных. Поэтому заряд Q1 будетнаходиться в равновесии, если векторная сумма действующих на него сил равна нулю:

F1+F3+F4=F+F4=0, (1)

 где F2, F3, F4 — силы, с которыми соответственно действуют на заряд Q1 заряды Q2, Q3 и Q4; F — равнодействующая сил F2 и F3.

Так как силы F и F4 направлены по одной прямой, то векторное равенство (1) можно заменить скалярной суммой:

F—F4=0, или F4=F.

Выразив в последнем равенстве F через F2 и F3 и учитывая, что F3=F2, получим

.

Применяя закон Кулона и имея в виду, что Q2=Q3=Q1, найдем

, (2)

откуда

.

Из геометрических построений в равностороннем треугольнике следует, что

.

С учетом этого формула (2) примет вид

.

Подставив сюда значение Q1, получим

Q4=0,58 нКл.

Отметим, что равновесие системы зарядов будет неустойчивым.

*Равновесие называется устойчивым, если при малом смещении заряда от положения равновесия возникают силы, возвращающие его в положение равновесия.

** Рекомендуется читателю самостоятельно выполнять решение задаче для отрицательного заряда.

На участке I (рис. 13.2, а) на заряд Q1 действуют две противоположно направленные силы: F1 и F2. Сила F1, действующая со стороны заряда 9Q, в любой точке этого участка будет больше, чем сила F2, действующая со стороны заряда -Q, так как больший (по модулю) заряд 9Q всегда находится ближе к заряду Q1, чем меньший заряд -Q. Поэтому равновесие на этом участке невозможно;

Решение. Закон Кулона позволяет вычислить силу взаимодействия точечных зарядов. По условию задачи, один из зарядов не является точечным, а представляет собой заряд, равномерно распределенный по длине стержня. Однако если выделить на стержне дифференциально малый участок длиной dl, то находящийся на нем заряд dQ=tdl можно рассматривать как точечный и тогда по закону Кулона* сила взаимодействия между зарядами Q1 и dQ:

13.3. Два одинаковых заряженных шарика подвешены в одной точке на нитях одинаковой длины. При этом нити разошлись на угол a. Шарики погружаются в масло плотностью p0=8×102 кг/м3. Определить диэлектрическую проницаемость e масла, если угол расхождения нитей при погружении шариков в масло остается неизменным. Плотность материала шариков р=1,6×103 кг/м3.

13.4. Даны два шарика массой m=l г каждый. Какой заряд Q нужно сообщить каждому шарику, чтобы сила взаимного отталкивания зарядов уравновесила силу взаимного притяжения шариков по закону тяготения Ньютона? Рассматривать шарики как материальные точки.

13.5. В элементарной теории атома водорода принимают, что электрон обращается вокруг ядра по круговой орбите. Определить скорость v электрона, если радиус орбиты r=53 пм, а также частоту n вращения электрона.

Взаимодействие точечного заряда

с зарядом, равномерно распределенным

13.14. Тонкий стержень длиной l=10 см равномерно заряжен. Линейная плотность t заряда равна 1 мкКл/м. На продолжении оси стержня на расстоянии а=20 см от ближайшего его конца находится точечный заряд Q=100 нКл. Определить силу F взаимодействия заряженного стержня и точечного заряда.

13.15. Тонкий длинный стержень равномерно заряжен с линейной плотностью t заряда, равной 10 мкКл/м. На продолжении оси стержня на расстоянии а=20 см от его конца находится точечный заряд Q=10 нКл. Определить силу F взаимодействия заряженного стержня и точечного заряда.


Математика