ID: 00002985
Между двумя металлическими близко расположенными вертикальными пластинами, укреплёнными на изолирующих подставках, подвесили на длинной шёлковой нити лёгкую металлическую незаряженную гильзу (см. рисунок). Когда к пластинам приложили постоянное высокое напряжение, гильза пришла в движение. Опираясь на законы электростатики и механики, опишите движение гильзы и объясните его.
Источник: ФИПИ
Металлическая незаряженная гильза подвешена на нити между вертикальными пластинами конденсатора. К пластинам приложено высокое постоянное напряжение.
Описать движение гильзы и объяснить его.
1. Начальный момент. Гильза находится в электрическом поле конденсатора. Под действием поля в незаряженной гильзе происходит перераспределение зарядов (электростатическая индукция): сторона, обращённая к положительной пластине, заряжается отрицательно, а противоположная — положительно.
2. Первое движение. По закону Кулона сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния:
$$F = k\frac{q_1 q_2}{r^2}$$
Расстояние от гильзы до положительной пластины меньше. Значит, сила притяжения со стороны положительной пластины больше, чем сила отталкивания со стороны отрицательной. Гильза движется к положительной пластине и касается её.
3. После касания положительной пластины. Гильза приобретает положительный заряд. Одноимённые заряды отталкиваются, поэтому гильза движется к отрицательной пластине и касается её.
4. После касания отрицательной пластины. Гильза приобретает отрицательный заряд и снова притягивается к положительной пластине.
Вывод: в системе возникают колебания гильзы между пластинами конденсатора.
1. Под действием электрического поля пластин изменится распределение электронов в гильзе: левая сторона будет иметь отрицательный заряд, а правая сторона — положительный (см. рисунок).
Сила взаимодействия заряженных тел уменьшается с ростом расстояния между ними. Поэтому притяжение к пластинам ближних к ним сторон гильзы будет больше отталкивания противоположных сторон гильзы.
Гильза первоначально находится ближе к левой, положительно заряженной пластине. Поэтому равнодействующая сил Кулона, действующих на гильзу, будет направлена в сторону положительно заряженной пластины и, согласно второму закону Ньютона, гильза будет двигаться к этой пластине, пока не коснётся её.
2. В момент касания пластины гильза приобретёт заряд того же знака, какой имеется у пластины, оттолкнётся от неё и будет двигаться к противоположной пластине. Так как нить достаточно длинная, то гильза на нити дойдёт до противоположной пластины. Коснувшись противоположной пластины, гильза поменяет знак заряда, вернётся к первой пластине, и такое движение будет периодически повторяться.
3. Ответ: гильза начнёт двигаться влево, после касания пластины станет двигаться вправо, затем — опять влево. Начнутся колебания гильзы между пластинами.