Задача 6: металлическая пластинка залита слоем жидкого диэлектрика

Плоский конденсатор имеет емкость С. На одну из пластин конденсатора поместили заряд +q, а на другую — заряд +4q. Определите разность потенциалов между пластинами конденсатора.

(Задача из журнала «Квант», Ф187).



Решение:

Заряженная пластинка создает электрическое поле, напряженность которого в вакууме равна:
Eo = Q,
oS
а в диэлектрике:
Eo = Q,
2εεoS

схемаОслабление поля в диэлектрике связано с поляризацией диэлектрика. При этом в тонком слое около пластины появляется заряд −Q1, а на свободной поверхности диэлектрика — заряд +Q1. Внутри же диэлектрика отрицательные и положительные заряды диполей компенсируют друг друга. Наведенные заряды Q1 и −Q1 создают поле с напряженностью:

E1 = 2Q1= Q1,
oSεoS
направленное против поля пластины.

Согласно принципу суперпозиции:

E = Eo − E1,
или:
Q=Q Q.
2εεoSoSεoS
Из этого уравнения можно найти величину заряда Q1:
Q1 = Qε − 1.
На заряд Q1 свободной поверхности жидкости действуют две электрические силы: сила притяжения к заряду −Q1, равная:
F1 = Q11E1 = Q1Q1= Q2(ε − 1)2,
2oSo
и сила отталкивания от заряда пластины Q равная:
F2 = Q1Eo = Qε − 1Q= Q2(ε − 1).
oSoS
Силы F1 и F2 направлены в противоположные стороны.
Так как сила F2 больше силы F1 (ε > 1), то жидкость над пластинкой будет подниматься. Пусть высота поднятия жидкости в сосуде равна h. Запишем условие равновесия поднявшейся жидкости:
ρhSg = F2 − F1 = Q22 − 1).
o2
Отсюда:
h =  Q22 − 1).
oS2ε2ρg
Примечание: в задаче пренебрегается поверхностным натяжением и взаимодействием жидкости со стенками сосуда.


Далее: заряженное кольцо увеличили в размерах   [тема: «нестандартные» задачи по электростатике]