Номер 1, страница 423 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Вопросы. Параграф 93. Энергия электростатического поля. 15. Энергия электромагнитного взаимодействия неподвижных зарядов. Электростатика - номер 1, страница 423.

Условие.

1. Почему схлопываются пластины плоского конденсатора, предоставленные самим себе?

Решение.

1. Пластины плоского конденсатора схлопываются из-за силы электростатического притяжения между ними.

Когда конденсатор заряжен, одна его пластина (обкладка) несет положительный заряд $+q$, а другая — такой же по модулю отрицательный заряд $-q$. В соответствии с законом взаимодействия зарядов, разноименные заряды притягиваются. Каждая из заряженных пластин создает электрическое поле, и другая пластина, находясь в этом поле, испытывает на себе силовое воздействие. Положительно заряженная пластина притягивает отрицательную, а отрицательная, в свою очередь, притягивает положительную. В результате возникает сила взаимного притяжения, стремящаяся сблизить пластины.

Этот эффект можно также объяснить с энергетической точки зрения. Энергия электрического поля заряженного и отключенного от источника конденсатора (то есть при постоянном заряде $q$) выражается формулой:$W = \frac{q^2}{2C}$где $C$ — электроемкость конденсатора. Для плоского конденсатора емкость зависит от расстояния $d$ между пластинами:$C = \frac{\epsilon \epsilon_0 S}{d}$где $\epsilon$ — диэлектрическая проницаемость среды, $\epsilon_0$ — электрическая постоянная, $S$ — площадь пластин.

Подставив вторую формулу в первую, получим зависимость энергии от расстояния:$W = \frac{q^2 d}{2\epsilon \epsilon_0 S}$Любая физическая система, предоставленная самой себе, стремится перейти в состояние с минимальной потенциальной энергией. Из формулы видно, что энергия $W$ прямо пропорциональна расстоянию $d$. Следовательно, система будет стремиться уменьшить расстояние $d$, чтобы минимизировать свою энергию. Это стремление проявляется в виде силы притяжения $F$ между пластинами. Если пластины не удерживаются на фиксированном расстоянии внешними силами, они начнут двигаться навстречу друг другу, то есть схлопываться.

Ответ: Пластины плоского конденсатора схлопываются из-за взаимного притяжения разноименных зарядов, находящихся на них. Это притяжение является проявлением стремления системы перейти в состояние с минимальной потенциальной энергией, которая для изолированного конденсатора уменьшается при сближении пластин.