ID: 00017053
На одну из двух близко расположенных горизонтальных металлических пластин, укреплённых на изолирующих подставках, положили металлический шарик (см. рис.). Когда пластины подсоединили к клеммам высоковольтного выпрямителя, подав на них заряды разных знаков, шарик пришёл в движение.
Опираясь на законы электростатики и механики, опишите и объясните движение шарика.
Источник: Сборник Гиголо
Шарик лежит на одной из пластин, поэтому от неё он зарядится тем же знаком (контактная электризация). Дальше спор двух сил: вниз — тяжесть, вверх или вниз — электрическая сила. А каждое касание пластины меняет знак заряда, поэтому движение получается циклическим.
Соприкасаясь с пластиной (пусть нижняя — отрицательная), шарик приобретает её знак — становится отрицательным. В однородном поле между пластинами на него действует электрическая сила F=qE. Отрицательный шарик отталкивается от отрицательной нижней пластины и притягивается к положительной верхней — то есть электрическая сила направлена вверх.
На шарик действуют тяжесть mg вниз и сила qE вверх. По второму закону Ньютона он пойдёт вверх с ускорением, если поле достаточно сильное: qE\gt mg. Тогда шарик отрывается и поднимается к верхней пластине.
Коснувшись положительной верхней пластины, шарик перезаряжается — становится положительным. Теперь он отталкивается от верхней и притягивается к нижней: электрическая сила направлена вниз и вместе с тяжестью гонит его обратно. Внизу он снова касается отрицательной пластины, меняет знак — и всё повторяется.
Ответ: при qE\gt mg шарик прыгает вверх-вниз, перенося заряд между пластинами (колебания).
Если qE>mg, шарик поднимется к верхней пластине, коснувшись её, сменит знак заряда и опустится — и будет колебаться вверх-вниз между пластинами.