Примеры решения задач. 1. В углах при основании равнобедренного треугольника с боковой стороной 8 см расположены заряды q1 и q2

1. В углах при основании равнобедренного треугольника с боковой стороной 8 см расположены заряды q₁ и q₂. Определить силу, действующую на заряд 1 нКл, помещенный в вершине треугольника. Угол при вершине 120⁰. Рассмотреть случаи: а) q₁ = q₂ = 2 нКл; б) q₁ = - q₂ = 2 нКл.

Дано: | q₁ | = | q₂ | = 2 ∙ 10^-9 Кл; q₃ = 10^-9 Кл; r = 0, 08 м; α = 30⁰; ε = 1.

Найти: F₁, F₂.

Решение. В соответствии с принципом суперпозиции поле каждого из зарядов q₁ и q₂ действует на заряд q₁ независимо. Это значит, что на заряд q₃ действуют силы (рис. 1, а)

Так как | q₁ | = | q₂ |, то | F₁₃ | = | F₂₃ |. Векторная сумма F = F₁ + F₂ является искомой величиной. Модуль силы определяется по теореме косинусов В случае одноименных зарядов q₁ и q₂ из рис. 1, а видно, что угол β = 120⁰, поэтому F₁ = F₁₃ = F₂₃;

В случае разноименных зарядов q₁ и q₂ из рис. 1, б видно, что угол β = 60⁰ и, следовательно,

Ответ: F₁ = 2, 8 мкН; F₂ = 4, 8 мкН.

2. Два равных отрицательных заряда по 9 нКл находятся в воде на расстоянии 8 см друг от друга. Определить напряженность и потенциал поля в точке, расположенной на расстоянии 5 см от зарядов.

Дано: q₁ = q₂ = -9 ∙ 10^-9 Кл; ε = 81; r₀ = 0, 08 м; r₁ = r₂ = 0, 05 м.

Найти: Е, φ.

Решение. Напряженность поля, создаваемого в точке А (рис. 2) зарядами q₁ и q₂ по принципу суперпозиции полей, равна векторной сумме напряженностей, создаваемых каждым из зарядов:

Е = Е₁ + Е₂. (1)

По теореме косинусов

(2)

Напряженность точечного заряда q

где ε – диэлектрическая проницаемость; ε ₀ – электрическая постоянная; r – расстояние от заряда до точки поля, в которой определяется его напряженность. Заряды q₁ и q₂ отрицательны, следовательно, векторы его Е₁ и Е₂ направлены по линиям напряженности к зарядам. По условию заряды q₁ = q₂ расположены на одинаковом расстоянии от точки А, поэтому Е₁ = Е₂. Следовательно, формула (2) принимает вид Е = Е₁ ∙ cos α, где cos α = h/r₁,

Тогда напряженность в точке А

Потенциал φ, создаваемый системой точечных зарядов в данной точке поля, равен алгебраической сумме потенциалов, создаваемых каждым из зарядов Потенциал φ результирующего поля в точке А равен φ = φ ₁ + φ ₂. Потенциал поля, создаваемого точечным зарядом, Следовательно,

Ответ: Е = 480 В/м; φ = - 40 В.

3. Заряд 1 нКл переносится в воздухе из точки, находящейся на расстоянии 1 м от бесконечно длинной равномерно заряженной нити, в точку на расстоянии 10 см от нее. Определить работу, совершаемую против сил поля, если линейная плотность заряда нити 1 мкКл/м. Какая работа совершается на последних 10 см пути?

Дано: r₀ = 0, 1 м; r₁ = 1 м; r₂ = 0, 2 м; q = 1 ∙ 10^-9 Кл; ε = 1; τ = 1 ∙ 10^-6 Кл/м.

Найти: А₁, А₂.

Решение. Работа внешней силы по перемещению заряда q из точки поля с потенциалом φ _i в точку с потенциалом φ ₀ равна

(1)

Бесконечно равномерно заряженная нить с линейной плотностью заряда τ создает аксиально – симметричное поле напряженностью Напряженность и потенциал этого поля связаны соотношением откуда Разность потенциалов точек поля на расстоянии r_i и r₀ от нити

(2)

Подставляя в формулу (1) найденное выражение для разности потенциалов из (2), определим работу, совершаемую внешними силами по перемещению заряда из точки, находящейся на расстоянии 1 м, до точки, расположенной на расстоянии 0, 1 м от нити:

Вычислим на калькуляторе выражение по программе

1 Вп 9 /-/ × 1 Вп 6 /-/ × 10 ln ÷ 2 ÷ F π ÷ 8, 85 ÷ 1 Вп 12 /-/ =

Показания индикатора: 4, 14087 ∙ 10^-5, т.е. 4, 1∙ 10^-5 Дж.

Работа по перемещению заряда на последних 10 см пути равна

Ответ: А₁ = 4, 1 ∙ 10^-5 Дж; А₂ = 1, 25 ∙ 10^-5 Дж.

4. К одной из обкладок плоского конденсатора прилегает стеклянная плоскопараллельная пластинка (ε ₁ = 7) толщиной 9 мм. После того как конденсатор отключили от источника напряжения 220 В и вынули стеклянную пластинку, между обкладками установилась разность потенциалов 976 В. Определить зазор между обкладками и отношение конечной и начальной энергии конденсатора.

Дано: U₁ = 220 В; U₂ = 976 В; d₁ = 9 ∙ 10^-3 м; ε ₁ = 7; ε ₂ = 1.

Найти: d₀; W₁/W₂.

Решение. После отключения конденсатора и удаления стеклянной пластинки заряд на его обкладках остается неизменным, т.е. выполняется равенство

(1)

где С₁ и С₂ – электроемкости конденсаторов в начальном и конечном случае.

По условию конденсатор вначале является слоистым и его электроемкость определяется по формуле

(2)

где S – площадь обкладок; d₀ – зазор между ними, d₁ – толщина стеклянной пластинки; ε ₁ и ε ₂ – диэлектрические проницаемости стекла и воздуха соответственно.

После удаления стеклянной пластинки электроемкости конденсатора

(3)

Подставляя (2) и (3) в (1), получим

откуда

Начальная и конечная энергии конденсатора

Тогда отношение эти энергий W₂/W₁ = Учитывая (1), получим

Ответ: d₀ = 1 ∙ 10^-2 м; W₂/W₁ = 4, 44.

5. Батарею из двух конденсаторов емкостью 400 и 500 пФ соединили последовательно и включили в сеть с напряжением 220 В. Потом батарею отключили от сети, конденсаторы разъединили и соединили параллельно обкладками, имеющими одноименные заряды. Каким будет напряжение на зажимах полученной батареи?

Дано: U₁ = 220 В; С₁ = 400 пФ; С₂ = 500 пФ.

Найти: U₂.

Решение. У последовательно соединенных конденсаторов заряды на обкладках равны по модулю q₁ = q₂ = q и заряд батареи равен заряду одного конденсатора. Емкость батареи последовательно соединенных конденсаторов определяется по формуле Для батареи из двух конденсаторов

а их заряд

(1)

При отключении конденсаторов их заряд сохраняется. У параллельно соединенных конденсаторов заряд батареи равен сумме емкостей зарядов конденсаторов q’ = q₁ + q₂, а емкость – сумме емкостей

Напряжение на зажимах батареи из двух параллельно соединенных конденсаторов

(2)

Подставляя (2) в (1), получаем

Ответ: U₂ = 108, 6 В.

6. Заряд конденсатора 1 мкКл, площадь пластин 100 см², зазор между пластинками заполнен слюдой. Определить объемную плотность энергии поля конденсатора и силу притяжения пластин.

Дано: q = 10^-6 Кл; S = 10^-2 м²; ε = 6.

Найти: w; F.

Решение. Сила притяжения между двумя разноименно заряженными обкладками конденсатора

(1)

где Е – напряженность поля конденсатора; S – площадь обкладок конденсатора; ε – диэлектрическая проницаемость слюды; ε ₀ – электрическая постоянная.

Напряженность однородного поля плоского конденсатора

(2)

где σ = q/S – поверхностная плотность заряда. Подставляя (2) в (1), получаем

Объемная плотность энергии электрического поля

w = (3)

Подставляя (2) в (3), получаем

w = w =

Ответ: F = 0, 94 Н; w = 94, 2 Дж/м³.

7. В медном проводнике сечением 6 мм и длиной 5 м течет ток. За 1 мин в проводнике выделяется 18 Дж теплоты. Определить напряженность поля, плотность и силу электрического тока в проводнике.

Дано: S = 6 ∙ 10^-6 м²; l = 5 м; t = 60 с; q = 18 Дж; ρ = 1, 7 ∙ 10^-8 Ом ∙ м.

Найти: E; j; J.

Решение. Для решения задачи используем закон Ома и Джоуля – Ленца. Закон Ома в дифференциальной форме имеет вид

j = γ E, (1)

где j – плотность тока; E – напряженность поля; γ – удельная проводимость.

Закон Джоуля – Ленца

(2)

Здесь J – сила тока, t – время.

(3)

- сопротивление проводника, где ρ, l, S – удельное сопротивление, длина и площадь поперечного сечения проводника соответственно.

Силу тока J находим из (2) с учетом (3):

По определению, плотность тока равна j = J/S;

Напряженность поля в проводнике определим из (1), учитывая, что γ = 1/ ρ.

Ответ: E = 1, 3 ∙ 10^-2 В/м; J = 4, 6 А; j = 7, 7 ∙ 10⁵ А/м².

8. Внутреннее сопротивление аккумулятора 2 Ом. При замыкании его

одним резистором сила тока равна 4 А, при замыкании другим – 2 А. Во внешней цепи в обоих случаях выделяется одинаковая мощность. Определить электродвижущую силу аккумулятора и внешние сопротивления.

Дано: r = 2 Ом; J₁ = 4 A; J₂ = 2A; N₁ = N₂.

Найти: ξ; R₁; R₂.

Решение. Закон Ома для замкнутой (полной) цепи имеет вид

(1)

где r – внутреннее сопротивление источника тока; ξ – э. д. с. аккумулятора;

R₁ и R₂ – внешние сопротивления цепей.

Уравнения (1) представим в виде

(2)

Из равенства (2) следует, что

(3)

Мощность, выделяемая во внешней цепи в первом и во втором случаях, соответственно равна

Из условия равенства мощностей следует, что

(4)

Решая совместно уравнения (3) и (4), получаем

(5)

Подставляя (5) в (2), получаем

Ответ: ξ = 12 В; R₁ = 1 Ом; R₂ = 4 Ом.

9. Электродвижущая сила батареи равна 20 В. Коэффициент полезного действия батареи составляет 0, 8 при силе тока 4 А. Чему равно внутреннее сопротивление батареи?

Дано: ξ = 20 В; η = 0, 8; J = 4 A.

Найти: r.

Решение. Коэффициент полезного действия источника тока η равен отношению падения напряжения во внешней цепи к его электродвижущей силе.

(1)

откуда

(2)

Используя выражение закона Ома для замкнутой цепи получаем

(3)

Подставляя (2) в (3) и выполняя преобразования, находим

Ответ: r = 1 Ом.

10. По двум бесконечно длинным прямолинейным проводникам, находящимся на расстоянии 50 см друг от друга, в одном направлении текут токи J₁ и J₂ силой по 5 А. Между проводниками на расстоянии 30 см от первого расположен кольцевой проводник с током J₃ силой 5 А (рис. 3). Радиус кольца 20 см. Определить индукцию и напряженность магнитного поля, создаваемого токами в центре кольцевого проводника.

Дано: J₁ = J₂ = J₃ = J = 5 А; r₁ = 0, 2 м; r₃ = 0, 2 м.

Найти: В; Н.

Решение. В соответствии с принципом суперпозиции индукция результирующего магнитного поля в точке А равна

В = В₁ + В₂ + В₃, (1)

где В₁ и В₂ – индукции полей, создаваемых соответственно токами J₁ и J₂, направленными за плоскость рисунка; В₃ – индукция поля, создаваемая кольцевым током. Как видно из рис. 3, векторы В₁ и В₂ направлены по одной прямой в противоположные стороны, поэтому их сумма В₁ + В₂ = В₁₂ равна по модулю

(2)

Индукция поля, создаваемого бесконечно длинным проводником с током,

(3)

где μ ₀ – магнитная постоянная; μ – магнитная проницаемость среды (для воздуха μ = 1); r₁, r₂ – расстояние от проводников до центра кольца. Подставляя (3) в (2), получаем

(4)

Индукция поля, создаваемого кольцевым проводником с током,

(5)

где r₃ – радиус кольца.

Как видно из рис. 3, векторы В₁₂ и В₃ взаимно перпендикулярны, поэтому или, учитывая выражения (4) и (5), имеем

Вычислим на калькуляторе выражение

по программе

[(0, 3 - 0, 2)] × = х→ П F π × = × 0, 3 F х² = × 0, 2 F х² = F х→ П ÷ П→ х = П→ х 1 ÷ 0, 2 F х² = F х→ П + П→ х = √ х→ П 12, 56 ВП 7 /-/ х 5 ÷ 2 = F х→ П × П→ х =

Показания индикатора: 1, 57111 ∙ 10^-5, т.е. 15, 67 мкТл.

Напряженность магнитного поля

Ответ: В = 15, 7 мкТл; Н = 12, 5 А.

11. Электрон, пройдя ускоряющую разность потенциалов 88 кВ, влетает в однородное магнитное поле перпендикулярно его линиям индукции. Индукция поля равна 0, 01 Тл. Определить радиус траектории электрона.

Дано: U = 88 кВ; В = 0, 01 Тл; е = 1, 6 ∙ 10^-19 Кл.

Найти: r.

Решение. В магнитном поле с индукцией В на электрон, движущийся со скоростью v перпендикулярно В, действует сила Лоренца

(1)

которая обусловливает центростремительное ускорение электрона при его движении по окружности:

(2)

где m – масса электрона; е – его заряд; r – радиус траектории его движения.

Пройдя ускоряющую разность потенциалов U, электрон приобретает кинетическую энергию , равную работе А сил электрического поля Отсюда находим скорость электрона:

(3)

Из уравнения (2) с учетом (3) найдем радиус траектории:

Ответ: r = 0, 1 м.

12. Соленоид длиной 20 см и диаметром 4 см имеет плотную трехслойную обмотку из провода диаметром 0, 1 мм. По обмотке соленоида течет ток 0, 1 А. Зависимость В = f (H) для материала сердечника приведена на рис. 4. Определить напряженность и индукцию поля в соленоиде, магнитную проницаемость сердечника, индуктивность соленоида, энергию и объемную плотность энергии поля соленоида.

Дано: l = 0, 2 м; D = 0, 04 м; N = 3; d = 1 ∙ 10^-4 м; J = 0, 1 А.

Найти: H; B; μ; L; W; w.

Решение. Поле внутри соленоида можно считать однородным. В этом случае напряженность поля

(1)

где J – сила тока в обмотке;

(2)

- число витков, приходящихся на единицу длины соленоида; N – число слоев обмотки; d – диаметр провода. Тогда

По графику В = f (H) находим, что напряженности 3000 А/м соответствует индукция 1, 7 Тл. Используя связь между индукцией и напряженностью

(3)

определим магнитную проницаемость

Индуктивность соленоида

(4)

где l – длина, S = π D²/ 4 – площадь поперечного сечения соленоида. Учитывая (2), получаем

(5)

Объемная плотность энергии магнитного поля

Энергия магнитного поля соленоида

(6)

или

(7)

Подставляя числовые данные в (7), получаем

Ответ: H = 3000 А/м; B = 1, 7 Тл; μ = 450; L = 128 Гн;

w = 2, 55 кДж/м³; W = 0, 64 Дж.

13. На соленоид (см. условие и решение задачи 12) надето изолированное кольцо того же диаметра. Определить электродвижущую силу индукции в кольце и электродвижущую силу самоиндукции в соленоиде, если за 0, 01 с ток в его обмотке равномерно снижается до нуля.

Дано: B = 1, 7 Тл; D = 0, 04 м; J₁ = 0, 1 А; L = 128 Гн; Δ t = 10^-2 с; J₂ = 0.

Найти: ξ _i, ξ _s.

Решение. По условию за время Δ t = 0, 01 с сила тока в обмотке соленоида равномерно уменьшается от 0, 1 А до нуля, поэтому магнитный поток, пронизывающий площадь кольца S = π D²/ 4, уменьшается от Ф₁ = BS до Ф₂ = 0. Электродвижущая сила индукции, возникающая в кольце,

Электродвижущая сила самоиндукции ξ _s, возникающая в соленоиде при выключении тока в нем, Так как при выключении сила тока уменьшается до нуля равномерно, то

Тогда

Ответ: ξ _i = 0, 21 В, ξ _s = 1280 В.

14. Виток радиусом 5 см с током 1 А помещен в однородное магнитное поле напряженностью 5000 А/м так, что нормаль к витку составляет угол 60⁰ с направлением поля. Какую работу совершат силы поля при повороте витка в устойчивое положение?

Дано: r = 0, 05 м; J = 1 А; Н = 5000 А/м; α = 60⁰.

Найти: А.

Решение. Работа А при повороте витка с током J в магнитном поле

(1)

Здесь Δ Ф = Ф₂ – Ф₁ – изменение магнитного потока сквозь площадь витка S = π r²;

Ф₁ = B ∙ S ∙ cos α – магнитный поток, пронизывающий виток в начальном положении, где α – угол между векторами n и В.

Устойчивым положением витка в магнитном поле является такое поле, при котором направление нормали к нему совпадает с вектором индукции, т.е. cos α = 1. Следовательно, Ф₂ = B ∙ S. Таким образом, Δ Ф = Вπ r²∙ (1 - cos α). Учитывая, что В = μ μ ₀Н, имеем

(2)

Подставляя (2) в (1), получаем

Ответ: А = 2, 46 ∙ 10^-5 Дж.