Электростатика — Задание 21 ЕГЭ по физике №00007912
Электростатика
№2. Задание 21
ID: 00007912
В левой половине незаряженного металлического шара располагается крупная шарообразная полость, заполненная воздухом. Шар находится в воздухе вдали от других предметов. В центр полости помещён отрицательный точечный заряд q < 0 (см. рисунок).
Нарисуйте картину линий напряжённости электростатического поля внутри полости, внутри проводника и снаружи шара. Если поле отсутствует, напишите в данной области: $\vec{E} = 0$. Если поле отлично от нуля, нарисуйте картину поля в данной области, используя восемь линий напряжённости. Ответ поясните, указав, какие физические закономерности Вы использовали для объяснения.
Источник: ФИПИ
Решение
Шар металлический и в целом незаряженный, а в его левой части есть шарообразная полость, в центр которой помещён отрицательный точечный заряд. Опишем картину поля по областям.
Внутри полости. Отрицательный заряд создаёт радиальное поле, направленное к заряду: силовые линии — прямые лучи, входящие в заряд, и они подходят к стенке полости перпендикулярно её поверхности (на проводнике линии всегда по нормали).
В толще металла. Внутри проводника в равновесии электростатического поля нет: $E=0$. Поле заряда наводит на стенке полости положительный заряд $-q \gt 0$, а на внешней поверхности шара — отрицательный заряд, равный $q$ (шар в целом нейтрален).
Снаружи шара. Наружная поверхность заряжена отрицательно и распределяет заряд так, будто он находится в центре шара: снаружи поле радиальное — прямые лучи, входящие в поверхность шара по нормали к ней (направлены к шару из бесконечности).
Ответ
1. Приведён схематический рисунок картины линий напряжённости: внутри полости — семейство прямых лучей, идущих от поверхности полости по нормали к ней и входящих в заряд; снаружи шара — семейство прямых лучей, приходящих из бесконечности и входящих в поверхность шара по нормали к ней.
2. Внутри проводника электростатическое поле $\vec{E} = 0$.
3. Заряд q помещён в центр шарообразной полости. Поэтому его электростатическое поле в полости обладает центральной симметрией и выглядит как поле уединённого точечного заряда q < 0, находящегося в центре полости. Линии напряжённости этого поля подходят по нормали к поверхности полости, где равномерно распределён положительный индуцированный заряд $-q \gt 0$.
4. На наружной поверхности шара находится (в силу нейтральности шара в целом) отрицательный заряд q < 0. В силу того, что внутри проводника $\vec{E} = 0$, а снаружи окружающие предметы расположены далеко от шара, этот заряд распределён по поверхности шара равномерно. Его поле вне шара выглядит как поле уединённого точечного заряда q < 0, расположенного в центре шара. Линии напряжённости направлены к шару по нормали к его поверхности.
Видеоразбор
Другие задания по теме «Электростатика» (8)
- Задание 21 №00043145 — Плоский воздушный конденсатор подключили к источнику постоянного напряжения и…
- Задание 21 №00043134 — Маленький незаряженный шарик, подвешенный на непроводящей нити, помещён над…
- Задание 21 №00026308 — В классе при электрическом освещении лампами накаливания показали опыт:…
- Задание 21 №00026307 — Воспользовавшись оборудованием, представленным на рис. 1, учитель собрал модель…
- Задание 21 №00026303 — Между двумя металлическими близко расположенными пластинами, укреплёнными на…
- Задание 21 №00026301 — На столе установили два незаряженных электрометра и соединили их металлическим…
- Задание 21 №00026300 — Две параллельные металлические пластины, расположенные горизонтально,…
- Задание 21 №00026297 — Воспользовавшись оборудованием, представленным на рис. 1, учитель собрал модель…