Какая совершается работа при перенесении точечного заряда 20 нКл из бесконечности

Условие задачи:

Какая совершается работа при перенесении точечного заряда 20 нКл из бесконечности в точку, находящуюся на расстоянии 1 см от поверхности шара радиусом 1 см с поверхностной плотностью заряда 1 нКл/см².

Задача №6.3.24 из «Сборника задач для подготовки к вступительным экзаменам по физике УГНТУ»

Дано:

\(q=20\) нКл, \(r_1=\infty\), \(r_2=1\) см, \(R=1\) см, \(\sigma=1\) нКл/см², \(A-?\)

Решение задачи:

Во-первых, нужно понимать, что для сближения двух одноимённо заряженных тел необходимо совершить внешней силой положительную работу, так как потенциальная энергия взаимодействия зарядов увеличивается при сближении. Очевидно, что:

\[A = {W_2} – {W_1}\]

Здесь \(W_1\) – начальная потенциальная энергия взаимодействия зарядов, а \(W_2\) – конечная. Их легко определить по таким известным формулам:

\[\left\{ \begin{gathered}
{W_1} = \frac{{kQq}}{{{r_1}}} \hfill \\
{W_2} = \frac{{kQq}}{{R + {r_2}}} \hfill \\
\end{gathered} \right.\]

Здесь \(k\) – коэффициент пропорциональности (из закона Кулона), равный 9·10⁹ Н·м²/Кл², а \(Q\) – заряд шара, который можно выразить через площадь поверхности шара \(S\) и поверхностную плотность заряда \(\sigma\) по формуле:

\[Q = \sigma \cdot S\]

\[Q = \sigma \cdot 4\pi {R^2}\]

Так как \(r_1=\infty\), то понятно, что \(W_1=0\).

В итоге мы получим такую окончательную формулу:

\[A = \frac{{4\pi kq\sigma {R^2}}}{{R + {r_2}}}\]

Численное значение работы \(A\) равно:

\[A = \frac{{4 \cdot 3,14 \cdot 9 \cdot {{10}^9} \cdot 20 \cdot {{10}^{ – 9}} \cdot 1 \cdot {{10}^{ – 5}} \cdot {{0,01}^2}}}{{0,01 + 0,01}} = 113 \cdot {10^{ – 6}} \;Дж = 113\;мкДж\]

Ответ: 113 мкДж.

Если Вы не поняли решение и у Вас есть какой-то вопрос или Вы нашли ошибку, то смело оставляйте ниже комментарий.

Смотрите также задачи:

6.3.23 Два шарика с зарядами 0,8 и 0,5 мкКл находятся на расстоянии 0,4 м. До какого
6.3.25 Потенциал заряженного металлического шара 45 В. Какой минимальной скоростью
6.3.26 Две равномерно заряженные проводящие пластины образовали однородное поле