Номер 5, страница 376 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Авторы: Касьянов В. А.
Тип: Учебник
Издательство: Просвещение
Год издания: 2021 - 2025
Уровень обучения: углублённый
Цвет обложки: белый самолет и молнии изображены
ISBN: 978-5-09-103621-3
Популярные ГДЗ в 10 классе
Вопросы. Параграф 80. Равновесие статических зарядов. 14. Силы электромагнитного взаимодействия неподвижных зарядов. Электростатика - номер 5, страница 376.
№5 (с. 376)
Условие. №5 (с. 376)
скриншот условия

5. Объясните, почему равновесие статических зарядов неустойчиво.
Решение. №5 (с. 376)
Равновесие системы статических зарядов, удерживаемых только за счёт электростатического взаимодействия, не может быть устойчивым. Это фундаментальное утверждение известно как теорема Ирншоу.
Чтобы равновесие было устойчивым, необходимо, чтобы в точке равновесия потенциальная энергия $W_p$ заряда имела локальный минимум. Это означает, что при любом малом смещении заряда из положения равновесия должна возникать возвращающая сила, стремящаяся вернуть его обратно, то есть направленная в сторону уменьшения потенциальной энергии.
Потенциальная энергия $W_p$ пробного заряда $q$ в электрическом поле связана с электростатическим потенциалом $\phi$ этого поля соотношением $W_p = q\phi$. Следовательно, для устойчивого равновесия положительного заряда ($q>0$) требуется локальный минимум потенциала $\phi$, а для отрицательного ($q<0$) — локальный максимум.
Однако в области пространства, где нет зарядов, создающих поле, электростатический потенциал $\phi$ удовлетворяет уравнению Лапласа:
$ \Delta \phi = \nabla^2 \phi = \frac{\partial^2 \phi}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 \phi}{\partial y^2} + \frac{\partial^2 \phi}{\partial z^2} = 0 $
Это следует из теоремы Гаусса для электрического поля в дифференциальной форме ($\nabla \cdot \vec{E} = 0$ в отсутствие зарядов) и определения потенциала ($\vec{E} = -\nabla \phi$).
Ключевое свойство функций, удовлетворяющих уравнению Лапласа (так называемых гармонических функций), заключается в том, что они не могут иметь локальных экстремумов (минимумов или максимумов) внутри области. Экстремумы потенциала могут существовать только в тех точках, где расположены сами заряды — источники поля.
Таким образом, в пустом пространстве невозможно создать точку локального минимума или максимума потенциальной энергии для заряда, используя только статические заряды. В точке равновесия (где сила равна нулю) потенциальная энергия будет иметь не минимум, а "седловую точку". Это означает, что при смещении в одних направлениях сила будет возвращающей, а в других — отталкивающей, что делает равновесие неустойчивым.
Ответ: Равновесие статических зарядов, обусловленное только электростатическими силами, является неустойчивым. Это следует из теоремы Ирншоу, согласно которой электростатический потенциал в свободном от зарядов пространстве не может иметь локальных минимумов или максимумов (он подчиняется уравнению Лапласа). Поскольку для устойчивого равновесия требуется наличие локального минимума потенциальной энергии ($W_p = q\phi$), а создать его с помощью статических зарядов невозможно, любое такое равновесие будет неустойчивым: при малом смещении заряда всегда найдётся направление, в котором сила будет не возвращать его обратно, а уводить ещё дальше.
Другие задания:
Помогло решение? Оставьте отзыв в комментариях ниже.
Присоединяйтесь к Телеграм-группе @top_gdz
ПрисоединитьсяМы подготовили для вас ответ c подробным объяснением домашего задания по физике за 10 класс, для упражнения номер 5 расположенного на странице 376 к учебнику 2021 года издания для учащихся школ и гимназий.
Теперь на нашем сайте ГДЗ.ТОП вы всегда легко и бесплатно найдёте условие с правильным ответом на вопрос «Как решить ДЗ» и «Как сделать» задание по физике к упражнению №5 (с. 376), автора: Касьянов (Валерий Алексеевич), ФГОС (старый) углублённый уровень обучения учебного пособия издательства Просвещение.