1. Какие заряды называют связанными?
Связанные заряды – это заряды, которые возникают внутри диэлектриков при поляризации. Они не могут свободно перемещаться, так как принадлежат молекулам или атомам диэлектрика и смещаются под действием внешнего электрического поля.
2. В чём состоит процесс поляризации диэлектрика?
Поляризация – это смещение положительных и отрицательных зарядов внутри диэлектрика при помещении его в электрическое поле. Это приводит к появлению связанных зарядов на поверхности и изменению внутреннего электрического поля.
3. Объясните различие между поляризацией диэлектрика и электризацией проводника через влияние.
При поляризации в диэлектрике заряды смещаются, но остаются связанными. В проводнике же свободные электроны перераспределяются, образуя индуцированные заряды, которые могут свободно перемещаться по поверхности.
4. Раскройте физический смысл диэлектрической проницаемости.
Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз электрическое поле ослабляется внутри диэлектрика по сравнению с вакуумом. Чем выше проницаемость, тем слабее поле внутри вещества.
1. Почему лёгкий незаряженный диэлектрический шарик всегда притягивается к телу, заряженному любым по знаку зарядом?
При приближении заряженного тела в диэлектрике происходит поляризация – противоположные заряды смещаются в сторону источника поля. В результате возникает притяжение между противоположными зарядами на шарике и зарядом тела.
2. Как известно, заряженный шарик притягивает мелкие кусочки бумаги. Как изменится сила притяжения, если окружить металлической сферой: а) заряженный шарик; б) мелкие кусочки бумаги?
а) Заряженный шарик – экранируется электрическое поле, притяжение исчезнет. б) Мелкие кусочки бумаги – если сфера заземлена, они окажутся в области без поля, и притяжение также исчезнет.
1. Определите диэлектрическую проницаемость трансформаторного масла, если два одинаковых точечных заряда в вакууме на расстоянии 20 см взаимодействуют с той же силой, что и в масле на расстоянии 0,14 м. Найдите модули зарядов, если модуль силы их электростатического взаимодействия равен 90 Н.
Электростатическая сила взаимодействия между двумя точечными зарядами в вакууме и в диэлектрике (например, в трансформаторном масле) описывается законом Кулона:
F = k * (|q₁ * q₂|) / r²,
где:
F — сила взаимодействия зарядов, k — электрическая постоянная (в вакууме), равная 9 * 10⁹ Н·м²/Кл², q₁ и q₂ — модули зарядов, r — расстояние между зарядами. В диэлектрическом веществе (например, трансформаторном масле) сила взаимодействия зарядов будет меньше, так как используется диэлектрическая проницаемость ε. Для такой ситуации сила взаимодействия будет выражаться как:
F = (k / ε) * (|q₁ * q₂|) / r²,
где ε — диэлектрическая проницаемость вещества.
Для решения задачи нам нужно учитывать, что сила взаимодействия в вакууме и в диэлектрике одинаковая, то есть:
(k * |q₁ * q₂|) / r₁² = (k / ε) * (|q₁ * q₂|) / r₂².
Здесь r₁ = 0.20 м (расстояние в вакууме) и r₂ = 0.14 м (расстояние в масле). Упростив выражение, получаем:
(1 / r₁²) = (1 / (ε * r₂²)).
Из этого можно выразить диэлектрическую проницаемость ε:
ε = r₂² / r₁².
Подставляем данные:
ε = (0.14²) / (0.20²) = 0.0196 / 0.04 = 0.49.
Таким образом, диэлектрическая проницаемость трансформаторного масла ε ≈ 0.49.
Теперь, для нахождения модуля зарядов, использую формулу для силы:
F = k * (|q₁ * q₂|) / r₁².
Перепишем её для модуля зарядов:
|q₁ * q₂| = F * r₁² / k.
Подставим значения:
|q₁ * q₂| = 90 Н * (0.20)² / (9 * 10⁹ Н·м²/Кл²),
|q₁ * q₂| = 90 * 0.04 / (9 * 10⁹) = 3.6 / (9 * 10⁹) = 4 * 10⁻¹⁰ Кл².
Модули зарядов |q₁| и |q₂| равны, поэтому:
|q₁| = √(4 * 10⁻¹⁰) ≈ 2 * 10⁻⁵ Кл.
Ответ: диэлектрическая проницаемость масла ≈ 0.49, модули зарядов |q₁| = |q₂| ≈ 2 * 10⁻⁵ Кл.
2. Отрицательный точечный заряд окружён сферическим слоем диэлектрика. Начертите линии напряжённости электростатического поля. Изобразите, как будет примерно выглядеть график зависимости напряжённости электростатического поля от расстояния до центра сферы (рис. 9.56).
Когда отрицательный точечный заряд окружен сферическим слоем диэлектрика, линии напряженности электростатического поля будут направлены от заряда внутрь сферы, потому что поле будет стремиться к заряду. Диэлектрический слой не изменяет направление поля, но уменьшает его интенсивность из-за своей проницаемости.
График зависимости напряженности от расстояния до центра сферы будет следующим:
Напряженность поля будет сильной у поверхности заряда и уменьшаться с увеличением расстояния. Внутри диэлектрика, на небольших расстояниях от заряда, поле будет снижаться по сравнению с тем, как оно бы выглядело в вакууме. За пределами диэлектрика, на больших расстояниях, напряженность будет уменьшаться в зависимости от расстояния, как для любого точечного заряда (по закону Кулона). Графически это будет выглядеть как кривая, которая сначала падает резко (вблизи заряда), а затем плавно снижается с увеличением расстояния.