15. Energia i praca w polu elektrycznym.
Wybór i opracowanie zadań Andrzej Kuczkowski.
15.1. Jaka praca zostanie wykonana podczas przenoszenia Å‚adunku punktowego q = 2Å"10-8 C
z nieskończoności do punktu oddalonego o 1 cm od powierzchni kulki o promieniu r = 1 cm
i gęstości powierzchniowej ładunku à = 10-5 C/m2?
15.2. Kulka o masie 1 g i ładunku 10-8 C przemieszcza się z punktu A o potencjale równym
600 V do punktu B o potencjale równym zeru. Jaką prędkość miała kulka w punkcie A, jeżeli
w punkcie B osiągnęła ona prędkość 0,20 m/s?
15.3. W procesie rozpadu promieniotwórczego z jądra atomu polonu wylatuje cząstka
Ä… z prÄ™dkoÅ›ciÄ… 1,6Å"107 m/s. Znajdz
energię kinetyczną tej cząstki ą oraz różnicę potencjałów
takiego pola, w którym nieruchomą początkowo cząstkę ą można rozpędzić do identycznej
prÄ™dkoÅ›ci. Masa czÄ…stki Ä… wynosi 6,69Å"10-27 kg. Zagadnienie należy rozpatrywać w sposób
nierelatywistyczny, ponieważ v H" 0,05 Å" c .
15.4. Z jaką minimalną prędkością v powinna poruszać się cząstka a, aby osiągnąć
powierzchnię kuli o promieniu r = 1 mm, naładowanej ładunkiem dodatnim Q = 1 nC?
Odległość cząstki od kuli d >> r.
15.5.* Jaką siłą f (na jednostkę długości) odpychają się dwie jednoimiennie naładowane,
nieskoÅ„czenie dÅ‚ugie, równolegÅ‚e nici o jednakowej liniowej gÄ™stoÅ›ci Å‚adunku  = 3Å"10-6 C/m,
znajdujące się w próżni w odległości b = 20 mm? Jaką pracę A na jednostkę długości należy
wykonać, aby zbliżyć te nici na odległość a = 10 mm?
15.6. Oblicz energię potencjalną układu utworzonego z cienkiego pierścienia o promieniu
R, naładowanego równomiernie ładunkiem dodatnim z gęstością liniową , oraz ujemnego
ładunku punktowego q, umieszczonego na osi pierścienia w odległości x od niego.
15.7. W narożach kwadratu o boku a umieszczono ładunki jak na rysunku. (a) Oblicz energię
potencjalną ładunku Q, znajdującego się w narożu A. (b) Jaką energię potencjalną ma cały
układ ładunków?
15.8. Dwa ładunki: dodatni Q i ujemny  Q znajdują się w odległości 2a od siebie. Oblicz:
(a) Gęstość energii w punkcie A leżącym w środku odcinka łączącego ładunki. (b) Energię
elektronu umieszczonego w punkcie A.
15.9. Oblicz gęstość energii w przy powierzchni protonu zakładając, że ładunek protonu jest
rozmieszczony jednorodnie, a promień protonu wynosi R = 1,5 fm.
15.10. Oblicz energię pola elektrycznego zawartą w warstwie parafiny o grubości
d, otaczającej naładowaną ładunkiem Q metalową kulę o promieniu R.
15.11. Oblicz energię oddziaływania dwóch cząstek wody znajdujących się w odległości
10-8 m w przypadku, gdy momenty dipolowe molekuł są do siebie równoległe. Trwały
moment dipolowy czÄ…steczki wody przyjmij p0 = 6,2Å"10-30 CÅ"m.
15.12. JakÄ… pracÄ™ należy wykonać, aby trwaÅ‚y moment dipolowy p0 = 6,2Å"10-30 CÅ"m
(cząsteczka wody), ustawiony równolegle do linii pola elektrycznego o natężeniu 106 V/m,
obrócić do położenia antyrównoległego względem linii pola?
15.13. Wykaż, że praca wykonana przez pole elektryczne w czasie polaryzacji cząstki
niepolarnej umieszczonej w jednorodnym polu elektrycznym polu elektrycznym o natężeniu
1
2
E wynosi: W = Ä…µ0E , gdzie Ä… jest polaryzowalnoÅ›ciÄ… elektronowÄ… czÄ…steczki. Przyjąć, że
2
indukowany moment dipolowy czÄ…steczki p proporcjonalny jest do pola elektrycznego.
p = Ä…E
15.14. Jakiej energii nabywa jednostka objętości niepolarnego dielektryka o względnej stałej
dielektrycznej µr = 4.5, jeżeli umieÅ›cić go w polu elektrycznym o natężeniu 104 V/cm?
15.15. Okładki kondensatora płaskiego o powierzchni elektrod S = 0,0098 cm przyciągają się
z siÅ‚Ä… 3Å"10-2 N. PrzestrzeÅ„ miÄ™dzy okÅ‚adkami jest wypeÅ‚niona mikÄ… (µr = 6). Oblicz: (a)
ładunki na okładkach, (b) natężenie pola elektrycznego, (c) energię zawartą w jednostce
objętości pola.
15.16. Jaką pracę należy wykonać, aby rozsunąć okładki kondensatora płaskiego
(S = 200 cm2) z odległości l1 = 0,3 cm do l2 = 0,5 cm? Rozpatrzyć dwa przypadki:
(a) Kondensator ładujemy do napięcia 600 V i odłączamy od z
ródła. (b) Kondensator jest cały
czas połączony ze z
ródłem o stałym napięciu 600 V.
15.17. Płaski kondensator o pojemności C naładowano do napięcia U i odłączono od z
ródła.
Między okładkami kondensatora znajduje się dielektryk. Jaką pracę W należy wykonać, aby
usunąć dielektryk z kondensatora, jeżeli jego wzglÄ™dna przenikalność wynosi µr?
15.18. Akumulator o sile elektromotorycznej • poÅ‚Ä…czono z pÅ‚askim kondensatorem
o pojemności C. Jaką pracę należy wykonać, aby z kondensatora usunąć dielektryk, jeżeli
jego wzglÄ™dna przenikalność wynosi µr?
15.19. Okładki kondensatora o pojemności C, naładowanego do napięcia U, połączono
równolegle z okładkami identycznego kondensatora, lecz nie naładowanego. Oblicz zmianę
energii "E układu kondensatorów wywołaną połączeniem. Czy zmiana energii byłaby
mniejsza, gdybyśmy okładki kondensatorów połączyli przy pomocy drutu z nadprzewodnika?
15.20. Dwa kondensatory o pojemnoÅ›ci C1 = 1 µF i C2 = 10 µF sÄ… poÅ‚Ä…czone szeregowo. Do
zacisków baterii kondensatorów przyłożono napięcie U0 = 200 V. Jaka jest energia każdego
z kondensatorów?
15.21. Elektron przelatuje od jednej płytki kondensatora płaskiego do drugiej. Różnica
potencjałów między płytkami wynosi 3 kV, odległość między płytkami 5 mm. Znalez
ć:
(a) Siłę działającą na elektron. (b) Przyspieszenie elektronu. (c) Prędkość, z jaką elektron
dociera do drugiej płytki. (d) Gęstość powierzchniową ładunku na płytkach kondensatora.
Prędkość początkową elektronu przyjąć równą zeru.
15.22. Pole elektryczne jest wytworzone przez dwie równoległe płytki oddalone od siebie
o 2 cm. Różnica potencjałów między płytkami wynosi 120 V. Jaką prędkość uzyska elektron
wskutek działania pola, przebywając wzdłuż linii sił odległość x = 3 mm. Prędkość
początkową elektronu przyjąć równą zeru.
15.23. Proton i cząstka ą, poruszające się z jednakową prędkością, wlatują do kondensatora
płaskiego, równolegle do płytek. Ile razy odchylenie protonu w polu kondensatora będzie
większe od odchylenia cząstki ą?
15.24. Proton i cząstka ą, przyspieszone jednakową różnicą potencjałów, wlatują do
kondensatora płaskiego, równolegle do płytek. Ile razy odchylenie protonu w polu
kondensatora będzie większe od odchylenia cząstki ą?
15.25. Oblicz czas przelotu elektronu między okładkami płaskiego kondensatora
próżniowego, jeśli odległość między okładkami wynosi d = 5 mm, a różnica potencjałów
między okładkami U = 200 V. Pomiń początkową prędkość elektronu.
15.26.* Pomijając wpływ ładunku przestrzennego i prędkość początkową, oblicz czas
przelotu elektronu od anody do katody w lampie dwuelektrodowej o elektrodach
cylindrycznych. Napięcie między elektrodami U = 100 V, promień katody R1 = 2 mm,
promień anody R2 = 10 mm.
15.27. W pobliżu typowej żarówki natężenie światła żółtego wynosi I H" 0,01 W / m2 . Oblicz
natężenie pola elektrycznego tej fali.
15.28. Laser dużej mocy wytwarza impuls światła o energii Em = 1000 J i czasie trwania
t = 0,5 ms. Oblicz średnią wartość natężenia pola elektrycznego fali świetlnej, jeżeli przekrój
wiÄ…zki wynosi S = 1 cm2.
 RozwiÄ…zania.
15.1.R.
qrÃ
L = q[V( 2r ) -V( " )] = = 1,13Å"10-4 J
2µ0
15.2.R.
2q m
v = vB 2 - v = 16,7 Å"10-2
A A
m s
15.3.R.
mv2
Ek = = 8,57 Å"10-13 J ,
2
mv2
U = = 2,66 Å"106 V .
2q
15.4.R.
Q Å" qÄ… m
v = = 9,27 Å"105 , gdzie qÄ… = |2e|
2Ä„µ0mr s
15.5.R.
2 N
f = = 8,1 ,
2Ä„µ0b m
2 b J
A = ln = 0,112 .
2Ä„µ0 a m
Wskazówka: należy najpierw obliczyć natężenie pola elektrycznego od jednej nici
w odległości b od niej, korzystając z prawa Gaussa lub zasady superpozycji, a następnie siłę
F: F = E .
15.6.R.
rq
Ep = -
2µ0 R2 + x2
15.7.R.
(a)
EpA = -QVA ,
gdzie VA  potencjał w punkcie A.
Q Q 2Q Q
VA = k + k - k = k (2 - 2) ,
a a a
a 2
stÄ…d:
Q2
EpA = -k (2 - 2) .
a
Energia potencjalna całego układu ładunków jest równa sumie prac potrzebnych na
przeniesienie poszczególnych ładunków z ich początkowych położeń do nieskończoności.
Dlatego trzeba rozpatrywać pracę usunięcia kolejnych ładunków w polu ładunków
pozostałych. Tak więc praca usunięcia ładunku Q z naroża D, gdy wcześniej usunięty został
ładunek Q z naroża A, będzie równa:
öÅ‚
ëÅ‚ 2Q q öÅ‚ Q2 ëÅ‚
ìÅ‚- 2 ÷Å‚
EpD = QìÅ‚- k + k ÷Å‚ = k 2 + ,
ìÅ‚ ÷Å‚
a a 2
a 2
íÅ‚ Å‚Å‚
íÅ‚ Å‚Å‚
a praca usunięcia ładunku Q z naroża B:
2Q 2Q2
öÅ‚
E = QëÅ‚- k = -k ,
ìÅ‚ ÷Å‚
pB
a a
íÅ‚ Å‚Å‚
stąd energia potencjalna całego układu ładunków:
Ep = EpA + EpB + EpD ,
ostatecznie:
öÅ‚
Q2 ëÅ‚ 2(2 +1)
ìÅ‚
Ep = k - 6÷Å‚
ìÅ‚ ÷Å‚
a 2
íÅ‚ Å‚Å‚
15.8.R.
(a) Gęstość energii pola elektrycznego równa się:
1 1 Q2
2
w = µ0µ E =
r
2 8Ä„µ0µ a4
r
(b) Ep = -eV = 0 , gdyż w środku odcinka pomiędzy +Q i  Q, V = 0.
15.9.R.
1 1 e2 J
2
w = µ0µr E = = 1,81Å"1030
2 32Ä„µ0µ R4 m3
r
2
1
15.10.R. Ponieważ gÄ™stość energii pola elektrycznego w = µ µ0E , a natężenie pola
2 r
Q
elektrycznego w odległości r od środka kuli w warstwie dielektryka: E = , dlatego
2
4Ä„µ0µrr
2
też energia zawarta w warstwie kulistej o grubości dr i objętości dV = 4Ąr dr wynosi
dW = WdV , stąd całkowita wartość energii zawarta w warstwie parafiny:
Q2 R+d dr Q 1 1
ëÅ‚ öÅ‚
W = = .
ìÅ‚ - ÷Å‚
+" 2
8Ä„µ0µ r 8Ä„µ0µr íÅ‚ R R + d
Å‚Å‚
r
R
15.11.R.
Energia dipola w polu elektrycznym:
r
r
W = - p Å" E = - pE cosÄ… .
W naszym przypadku dipol drugi znajduje siÄ™ w polu elektrycznym dipola pierwszego
o natężeniu równym:
p
E = ,
4Ä„µ0r3
a kąt ą = 1800, dlatego też:
p2
W = = 3,46 Å"10-25 J
4Ä„µ0r3
15.12.R.
W = 2 pE = 12,4 Å"10-24 J
15.13.R.
E0 E0
1
2
W = pdE =
+" +"Ä…EdE = Ä…E0
2
0 0
15.14.R.
J
2 2
1 1
W = n0Ä…E = µ0(µr -1)E = 15,5
2 2
m3
Wskazówka: patrz rozwiązanie zadań 15.13. oraz 14.47.
15.15.R.
Q = 2µ0µr FS = 1,77 Å"10-7 C
Q V
E = = 3,4 Å"105
Sµ0µ m
r
J
2
1
we = µ0µ E = 3,07 .
2 r
m3
15.16.R.
(a)
2
µ0SU
W1 = ( l2 - l1 ) = 71,2 Å"10-7 J
2l12
(b)
2
µ0SU ëÅ‚ öÅ‚
1 1
ìÅ‚ ÷Å‚
W1 = + = 42,7 Å"10-7 J
ìÅ‚
2 l1 l2 ÷Å‚
íÅ‚ Å‚Å‚
Wskazówka: Skorzystać z twierdzenia o pracy i energii. W przypadku (a) stały jest ładunek
na okładkach. Dlatego praca siły zewnętrznej równa jest przyrostowi energii ładunku.
W przypadku (b) natomiast, napięcie jest stałe, a ładunek z okładek kondensatora częściowo
odpłynie do z
ródła. Dlatego praca rozsuwania okładek będzie równa przyrostowi energii
kondensatora oraz pracy doładowania z
ródÅ‚a napiÄ™cia równej "U Å" Q .
15.17.R.
2
CU
W = (µr -1) > 0
2
Spolaryzowany dielektryk jest przyciągany przez różnoimiennie naładowane okładki. Dlatego
W > 0.
15.18.R.
2
ëÅ‚ öÅ‚
C• 1
ìÅ‚ ÷Å‚
W =
ìÅ‚1- ÷Å‚
2 µ
íÅ‚ r Å‚Å‚
Wskazówka: Zobacz rozwiązanie zadania 15.16.
15.19.R.
2
CU
"E = -
4
Przy połączeniu kondensatora naładowanego z nienaładowanym o równej pojemności,
połowa energii ulegnie rozproszeniu. Część zamieni się na ciepło, a część zostanie
wypromieniowana w postaci fal elektromagnetycznych. Gdybyśmy zastosowali połączenia
z nadprzewodnika, to strata energii układu obu kondensatorów byłaby taka sama, tylko
prawie w całości rozproszona energia zostałaby wpromieniowana.
15.20.R.
2
C1C2 2U
W1 = = 8,26 Å"10-3 J
2( C1 + C2 )2
2
C12C2U
W2 = = 8,26 Å"10-4 J
2( C1 + C2 )2
15.21.R.
(a)
U
F = eE = e = 9,6 Å"10-14 N
d
(b)
F m
a = = 1,05Å"1017
m s2
(c)
mv2 2eU m
eU = Ò! v = = 3,24 Å"107
2 m s
(d)
à C
E = Ò! Ã = µ0E = 4,7 Å"10-9
µ0 m2
15.22.R.
x
2eU
m
d
v = = 2,53Å"106 .
m s
15.23.R. Odchylenie protonu będzie dwukrotnie większe od odchylenia cząstki ą.
15.24.R. W tym przypadku odchylenie protonu i cząstki ą będzie równe.
15.25.R.
2
2md
t = = 5,33Å"10-6 s
eU
15.26.R. Ponieważ pole elektryczne jest niejednorodne, dlatego też przyspieszenie elektronu
nie będzie stałe. Po przebyciu różnicy potencjałów Ur, elektron uzyskuje prędkość:
2eUr
v = .
m
Różnica potencjałów Ur od katody o promieniu R1 do punktu o promieniu r wynosi
(zad. 14.35.c):
U r
U = ln .
r
R2 R1
ln
R1
dr
Ponieważ dr = v Å" dt , stÄ…d dt = , a caÅ‚kowity czas przelotu:
v
R2
mln
R2
dr R1 R2 dr
t = = = 1,7 Å"10-9 s
+" +"
v 2eU
r
R1 R1
ln
R1
15.27.R. Światło jest falą elektromagnetyczną. Natężenie światła I można wyrazić przez
2
gÄ™stość energii pola elektrycznego: I = µ0µ E c , gdzie c  prÄ™dkość Å›wiatÅ‚a, a E  natężenie
r
pola elektrycznego fali, stÄ…d:
I V
E = = 1,9 .
µ0µ c m
r
15.28.R. Moc lasera:
Em
(1) P = .
t
Moc promieniowaną można wyrazić również przez gęstość energii pola elektrycznego
P = w Å" c Å" S , gdzie c  prÄ™dkość Å›wiatÅ‚a, a S  pole przekroju wiÄ…zki, skÄ…d:
2
1
(2) P = µ0µ E c Å" S .
2 r
Z (1) i (2) otrzymamy:
2En V
E = = 3,8 Å"106 .
µ0µ c Å" t Å" S m
r
Po zogniskowaniu wiązki laserowej pole elektryczne może wzrosnąć o kilka rzędów. Dzięki
temu wiązkę laserową można stosować do obróbki materiałów.