Номер 5, страница 424 - гдз по физике 10 класс учебник Грачев, Погожев

Вопросы. Параграф 75. Диэлектрики в постоянном электрическом поле. Глава 10. Электростатика. Электродинамика - номер 5, страница 424.

Условие.

5. Как изменяется сила, действующая на точечный заряд, в системе из двух точечных зарядов при перемещении этой системы из вакуума в жидкий диэлектрик с диэлектрической проницаемостью $ε$? Почему это происходит?

Решение.

Как изменяется сила, действующая на точечный заряд, в системе из двух точечных зарядов при перемещении этой системы из вакуума в жидкий диэлектрик с диэлектрической проницаемостью ε?

Сила взаимодействия между двумя точечными зарядами $q_1$ и $q_2$, находящимися на расстоянии $r$ друг от друга в вакууме, определяется законом Кулона: $F_{вак} = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2} = \frac{1}{4\pi\epsilon_0} \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$, где $k$ — коэффициент пропорциональности, а $\epsilon_0$ — электрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума).

При перемещении этой системы в диэлектрическую среду с диэлектрической проницаемостью $\epsilon$ сила взаимодействия изменяется. Формула закона Кулона для среды выглядит так: $F_{диэл} = \frac{1}{4\pi\epsilon\epsilon_0} \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$.

Сравнивая две формулы, можно увидеть связь между силой в вакууме и силой в диэлектрике: $F_{диэл} = \frac{1}{\epsilon} \cdot \left( \frac{1}{4\pi\epsilon_0} \frac{|q_1 q_2|}{r^2} \right) = \frac{F_{вак}}{\epsilon}$.

Поскольку для любого диэлектрика диэлектрическая проницаемость $\epsilon > 1$ (для вакуума $\epsilon = 1$), то сила взаимодействия в диэлектрике всегда меньше, чем в вакууме.

Ответ: При перемещении системы из двух точечных зарядов из вакуума в диэлектрик с диэлектрической проницаемостью $\epsilon$, сила взаимодействия между зарядами уменьшается в $\epsilon$ раз.

Почему это происходит?

Это явление связано с поляризацией диэлектрика. Диэлектрик состоит из молекул, которые, хотя и являются электрически нейтральными в целом, могут иметь разделенные центры положительных и отрицательных зарядов (полярные молекулы) или приобретать их под действием внешнего электрического поля (неполярные молекулы).

1. Точечные заряды $q_1$ и $q_2$ создают вокруг себя электрическое поле $E_0$. 2. Когда система помещается в диэлектрик, это внешнее поле $E_0$ действует на молекулы диэлектрика, вызывая их поляризацию: молекулярные диполи ориентируются вдоль поля или индуцируются полем. 3. Эта ориентация создает внутри диэлектрика собственное (внутреннее) электрическое поле $E'$, направленное против внешнего поля $E_0$. 4. В результате результирующее (суммарное) электрическое поле в диэлектрике $E$ становится слабее исходного поля в вакууме: $E = E_0 - E'$. Напряженность поля ослабляется в $\epsilon$ раз: $E = E_0 / \epsilon$. 5. Сила, действующая на заряд, прямо пропорциональна напряженности поля в точке, где находится заряд ($F = qE$). Поскольку напряженность поля $E$ в диэлектрике ослабевает, то и сила взаимодействия между зарядами соответственно уменьшается.

Ответ: Уменьшение силы происходит из-за поляризации диэлектрика под действием электрического поля зарядов. Поляризация создает внутреннее электрическое поле, направленное против внешнего, что приводит к ослаблению суммарного электрического поля и, как следствие, к уменьшению силы взаимодействия между зарядами.