Номер 1, страница 45, часть 2 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

Объясните

Возьмите электрометр, на стержне которого укреплена малая сфера. Поднесите к нему положительно заряженную стеклянную пластину. Зафиксируйте положение стрелки электрометра. Далее накройте сферу калориметром и так же поднесите заряженную пластинку. Еще раз зафиксируйте положение стрелки. Дайте объяснение вашим наблюдениям.

Решение

Этот эксперимент демонстрирует явление электростатической индукции и принцип электростатической защиты (экранирования).

1. Наблюдение при поднесении пластины к открытому электрометру.

Когда к сфере электрометра, которая является частью единой проводящей системы со стержнем и стрелкой, подносят положительно заряженную стеклянную пластину, стрелка прибора отклоняется. Это объясняется явлением электростатической индукции. Под действием электрического поля положительно заряженной пластины свободные электроны из проводящей системы электрометра перемещаются: они притягиваются к пластине и скапливаются на сфере. В результате сфера приобретает избыточный отрицательный заряд. Соответственно, на удаленных от пластины частях — стержне и стрелке — возникает недостаток электронов, то есть они приобретают положительный заряд. Поскольку и стержень, и стрелка заряжены одноименно (положительно), они отталкиваются друг от друга согласно закону Кулона. Сила этого отталкивания заставляет стрелку отклоняться от вертикального положения.

2. Наблюдение при поднесении пластины к электрометру, накрытому калориметром.

Когда сферу электрометра накрывают металлическим стаканом калориметра и снова подносят заряженную пластину, стрелка остается неподвижной. Это происходит благодаря явлению электростатической защиты. Металлический стакан является проводящей замкнутой оболочкой (клетка Фарадея). Внешнее электрическое поле от пластины вызывает перераспределение зарядов на внешней поверхности этого стакана: электроны скапливаются на стороне, ближней к пластине, а на противоположной стороне возникает положительный заряд. Однако индуцированные на поверхности оболочки заряды создают внутри нее свое электрическое поле, которое полностью компенсирует внешнее поле. В итоге напряженность результирующего электростатического поля внутри полости проводника равна нулю ($E_{внутри} = 0$). Поскольку на сферу электрометра, находящуюся внутри этой защитной оболочки, электрическое поле не действует, то и явление электростатической индукции в самом электрометре не происходит. Его стержень и стрелка остаются электрически нейтральными, сила отталкивания между ними не возникает, и стрелка не отклоняется.

Ответ: В первом случае стрелка электрометра отклоняется, так как из-за электростатической индукции его стержень и стрелка приобретают одноименные заряды и отталкиваются. Во втором случае стрелка не отклоняется, поскольку металлический стакан калориметра экранирует электрометр от внешнего электрического поля (эффект клетки Фарадея), в результате чего индукция зарядов на частях самого электрометра не происходит.