Номер 475, страница 102 - гдз по физике 10 класс сборник задач Дорофейчик, Белая

475. Легкая заряженная гильза висит на непроводящей нити. Если к гильзе поднести сильно наэлектризованную палочку, заряженную одноименным с гильзой зарядом, то иногда наблюдается не отталкивание гильзы от палочки, а притяжение ее к палочке. Как объяснить этот парадокс?

Этот парадокс объясняется явлением электростатической индукции (или поляризации, если гильза сделана из диэлектрика). Несмотря на то, что гильза и палочка заряжены одноименно, очень сильное электрическое поле палочки вызывает значительное перераспределение зарядов в материале гильзы.

Рассмотрим случай, когда оба тела заряжены положительно. Когда сильно заряженную палочку подносят близко к гильзе, ее мощное электрическое поле воздействует на заряды в гильзе следующим образом: отрицательные заряды (свободные электроны в проводнике) притягиваются к палочке и смещаются на ближнюю к ней сторону гильзы. В то же время положительные заряды (изначальный заряд гильзы плюс положительные ионы, оставшиеся после смещения электронов) отталкиваются и концентрируются на дальней от палочки стороне гильзы.

Таким образом, гильза поляризуется: на ее ближней к палочке стороне образуется избыточный отрицательный заряд, а на дальней — избыточный положительный. В результате на гильзу со стороны палочки действуют две основные силы: сила притяжения ($F_{прит}$) между палочкой и индуцированным отрицательным зарядом на ближней стороне, и сила отталкивания ($F_{отт}$) между палочкой и суммарным положительным зарядом на дальней стороне.

Согласно закону Кулона, сила электростатического взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния между взаимодействующими зарядами ($F \sim \frac{1}{r^2}$). Поскольку индуцированный отрицательный заряд находится на меньшем расстоянии от палочки, чем сместившийся положительный заряд, сила притяжения будет действовать интенсивнее. Если заряд палочки достаточно велик, а сама палочка поднесена достаточно близко, то сила притяжения к индуцированному заряду на ближней стороне может по модулю превысить силу отталкивания от одноименного заряда на дальней стороне ($|F_{прит}| > |F_{отт}|$). В этом случае результирующая сила будет направлена в сторону палочки, что и приведет к наблюдаемому притяжению.

Ответ: Притяжение гильзы к одноименно заряженной палочке объясняется электростатической индукцией. Сильное электрическое поле палочки перераспределяет заряды на гильзе, в результате чего на ближней к палочке стороне концентрируется индуцированный заряд противоположного знака. Так как сила взаимодействия зависит от расстояния, сила притяжения к этому близкому индуцированному заряду оказывается больше, чем сила отталкивания от собственного (одноименного) заряда гильзы, который смещается на ее дальнюю сторону.