ID: 00026303
Между двумя металлическими близко расположенными пластинами, укреплёнными на изолирующих подставках, подвесили на шёлковой нити лёгкий незаряженный шарик из фольги. Когда пластины подсоединили к разноимённым клеммам высоковольтного источника напряжения, шарик пришёл в движение. Опишите движение шарика и объясните его. В ответе укажите, какие физические явления и закономерности Вы использовали для объяснения .
Источник: ФИПИ
Разберёмся, что тут за установка. На рисунке две металлические пластины на изолирующих подставках стоят вертикально и близко друг к другу, а между ними на шёлковой нити висит лёгкий шарик из фольги. Шёлк — изолятор, поэтому через нить заряд не уходит. Пока напряжения нет, шарик спокойно висит. Как только пластины подключили к разноимённым клеммам высоковольтного источника, между ними возникло сильное электрическое поле — и шарик задвигался.
Обоснуем модель. Шарик из фольги — это металл, то есть проводник со свободными электронами, а не диэлектрик, и это принципиально: он способен и поляризоваться в поле, и принимать на себя заряд при касании. Пластины близкие и плоские, значит поле между ними считаем практически однородным, а силу, действующую на заряженный шарик, — равной $F=qE=\dfrac{qU}{d}$, где $U$ — напряжение источника, $d$ — расстояние между пластинами. Шарик лёгкий и маленький, поэтому считаем его материальной точкой и применяем второй закон Ньютона. Источник высоковольтный, значит поле сильное и электрические силы заметно больше, чем возможное сопротивление воздуха.
Шаг 1 — почему нейтральный шарик вообще пришёл в движение. Внешнее поле смещает свободные электроны шарика: у стороны, обращённой к положительной пластине, накапливается отрицательный заряд, у противоположной — положительный. Это электростатическая индукция. Полный заряд шарика при этом нулевой, но каждая половинка теперь притягивается к «своей» пластине по-разному: шарик висит не строго посередине, а поле у пластин чуть сильнее, поэтому притяжение к ближней пластине оказывается больше отталкивания от неё, и шарик начинает к ней двигаться.
Шаг 2 — первое касание. Дотронувшись до пластины, шарик становится с ней одним проводником и получает заряд того же знака, что у пластины (часть заряда просто перетекает на шарик).
Шаг 3 — отскок. Теперь шарик заряжен так же, как пластина, у которой он находится. Одноимённые заряды отталкиваются (это следует из закона Кулона), а поле конденсатора действует на его заряд $q$ с силой $F=\dfrac{qU}{d}$, направленной к противоположной пластине. По второму закону Ньютона шарик разгоняется и летит через промежуток между пластинами.
Шаг 4 — второе касание и цикл. У противоположной пластины шарик отдаёт свой заряд и тут же получает заряд её знака. Значит, он снова оказывается одноимённым с пластиной, у которой находится, и снова отталкивается — теперь обратно. Цикл замкнулся, и колебания повторяются: каждое касание меняет знак заряда шарика, поэтому сила всегда гонит его к другой пластине.
Шаг 5 — почему колебания не затухают. При каждом перелёте шарик переносит порцию заряда с одной пластины на другую, то есть по цепи идёт очень слабый ток. Источник восполняет заряд пластин и поддерживает напряжение, а значит и поле. Работу совершает источник, за счёт неё и поддерживается движение шарика. Прервать процесс можно, только отключив источник или разрядив пластины.
И всё сходится: сначала шарик двинулся из-за наведённых зарядов, а дальше его гоняет уже собственный заряд, знак которого меняется при каждом ударе.
Шарик начинает раскачиваться и совершает незатухающие колебания от одной пластины к другой: он ударяется о пластину, отскакивает к противоположной, ударяется о неё, снова возвращается — и так до тех пор, пока источник включён.
Причина в том, что незаряженный шарик из фольги — проводник. В поле конденсатора в нём происходит электростатическая индукция: свободные электроны смещаются, и шарик, оставаясь в целом нейтральным, притягивается к ближайшей пластине. Коснувшись её, он получает от неё заряд того же знака, а одноимённо заряженные тела отталкиваются — шарик летит к другой пластине. Там он отдаёт свой заряд, получает противоположный по знаку и снова отталкивается. Каждый удар «перезаряжает» шарик, поэтому процесс повторяется, а заодно шарик малыми порциями переносит заряд с одной пластины на другую.