ЗАКОН КУЛОНА. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ТЕЛ Примеры решения задач
Пример 2. Два заряда 9Q и -Q закреплены на расстоянии l=50 см друг от друга. Третий заряд Q1 может перемещаться только вдоль прямой, проходящей через заряды. Определить положение заряда Q1, при котором он будет находиться в равновесии. При каком знаке заряда равновесие будет устойчивым *?
Решение. Заряд Q1 будет находиться в равновесии в том случае, если векторная сумма сил, действующих на него, будет равна нулю. Это значит, что на заряд Q1 должны действовать две силы, равные по модулю и противоположные по направлению. Рассмотрим, на каком из трех участков I, II, III (рис. 13.2) может быть выполнено это условие. Для определенности будем считать, что заряд Q1 —положительный **.
*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;
На участке II (рис. 13.2, б) обе силы F1 и F2 направлены в одну сторону — к заряду -Q. Следовательно, и на втором участке равновесие невозможно.
На участке III (рис. 13.2, б) силы F1 и F2 направление противоположные стороны, так же как и на участке I, но в отличие от него меньший (по модулю) заряд (—Q) всегда находится ближе к заряду Q1, чем больший заряд (9Q). Это значит, что можно найти такую точку на прямой, где силы F1 и F2 будут одинаковы по модулю, т. е.
|F1|=|-F2|. (1)
Пусть расстояние от меньшего заряда до заряда Q1 равно х, тогда расстояние от большего заряда будет l+х. Выражая в равенстве (1) F1 и F2 в соответствии с законом Кулона, получим
.
Сокращая на QQ1 и извлекая из обеих частей равенства квадратный корень, найдем l+x=±3x, откуда x1=+l/2 и x2=-l/4.
Корень x2 не удовлетворяет физическому условию задачи (в этой точке силы F1 и F2 хотя и равны по модулю, но направлены в одну сторону).
Определим знак заряда, при котором равновесие будет устойчивым. Рассмотрим смещение заряда Q1 в двух случаях: 1) заряд положителен; 2) заряд отрицателен.
1. Если заряд Q1 положителен, то при смещении его влево обе силы F1 и F2 возрастают, но F1 возрастает медленнее (заряд 9Q всегда находится дальше, чем –Q). Следовательно, F2 (по модулю) больше, чем F1, и на заряд Q1 будет действовать результирующая сила, направленная также влево. Под действием этой силы заряд Q1 удаляется от положения равновесия. То же происходит и при смещении заряда Q1 вправо. Сила F2 убывает быстрее, чем F1. Векторная сумма сил в этом случае направлена вправо. Заряд под действием этой силы также будет перемещаться вправо, т. е. удаляться от положения равновесия. Таким образом, в случае положительного заряда равновесие является неустойчивым.
2. Если заряд Q1 отрицателен, то его смещение влево вызовет увеличение сил F2 и F1, но сила F1 возрастает медленнее, чем F2, т.е. |F2|>|F1|. Результирующая сила будет направлена вправо. Под действием этой силы заряд Q1 возвращается к положению равновесия. При смещении Q1 вправо сила F2 убывает быстрее, чем F1, т. е. |F1|>|F2|. результирующая сила направлена влево и заряд Q1 опять будет возвращаться к положению равновесия. При отрицательном заряде равновесие является устойчивым. Величина самого заряда Q1 несущественна.
Отметим, что в электростатике устойчивое равновесие возможно только при определенных ограничениях. В нашем примере заряд Q1 может перемещаться только вдоль прямой, проходящей через заряды Q и –9Q. Если это ограничение снять, то устойчивого равновесия не будет. В системе зарядов, находящихся под действием одних только электростатических сил, устойчивое равновесие невозможно (теорема Ирншоу).
ЭНЕРГИЯ ЗАРЯЖЕННОГО ПPOBOДHИКA. ЭHEPГИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
Пример 2. Плоский воздушный конденсатор с площадью S пластины, равной 500 см2, подключен к источнику тока, ЭДС которого равна 300 В. Определить работу А внешних сил по раздвижению пластин от расстояния d1 = 1 см до d2=3 см в двух случаях: 1) пластины перед раздвижением отключаются от источника тока; 2) пластины в процессе раздвижения остаются подключенными к нему.
Р е ш е н и е. l-й случай. Систему двух заряженных и отключенных от источника тока пластин можно рассматривать как изолированную систему, по отношению к которой справедлив закон сохранения энергии. В этом случае работа внешних сил равна изменению энергии системы:
A=ΔW=W2-W1, (1)
Выдающийся немецкий конструктор дирижаблей жесткой конструкции "цеппелин". Родился в Констанце. Обучался в Политехнике в Штудгарде, затем в военной школе в Тюбинге. С1858г.- офицер кавалерии. После военной службы генерал Цеппелин с 1891 г. занимается строительством воздушных кораблей. 2 июля 1900 г. стартовал первый дирижабль Цеппелина LZ-1. С1905 г. Всего при жизни графа Цеппелина было построено 130 дирижаблей LZ.
где W2 - энергия поля конденсатора в конечном состоянии (пластины находятся на расстоянии d2); W1 - энергия поля в начальном состоянии (пластины находятся на расстоянии d1).
Энергию в данном случае удобно выразить через заряд Q на пластинах, так как заряд пластин, отключенных от источника при их раздвижении, не изменяется. Подставив в равенство (1) выражения W2=Q2/ (2С2) и W1 =Q2/(2С1), получим
ИЛИ 
Выразив в этой формуле заряд через ЭДС ε источника тока и начальную электроемкость С1 (Q=C1ε), найдем
(2)
Подставляя в формулу (2) выражения электроемкостей (C1=ε0S/d1 и C2= =ε0S/d2) плоского конденсатора, получим
ε2
|
||