$6.3.35.$ Из капельницы 1 в полый изолированный металлический шар 2 радиуса $R$ падают капли воды, каждой из которых сообщают заряд $q$. Какой должна быть наименьшая высота падения капель для того, чтобы шар заполнился водой? Радиус капли $r\ll R$.
Когда капли начинают падать внутрь шара, каждая новая капля сталкивается с электростатическим отталкиванием от уже накопленного заряда на шаре.
Если шар — идеальный, изолированный проводник, то его заряд распределяется по внешней поверхности. При попадании капли внутрь она передаёт свой заряд шару, и с ростом общего заряда шара растёт электрический потенциал шара, который создаёт электрическое поле, отталкивающее новые заряженные капли. Внутри металлического проводника в электростатическом равновесии электрическое поле равно нулю, и весь заряд оказывается на поверхности, то есть электростатически шар можно рассматривать как заряженную сферу. Процесс передачи каплей воды своего заряда можно считать мгновенным по сравнению с процессом капания капель.
Чтобы новая капля достигла шара, её кинетическая энергия при падении с высоты $h$ должна быть не меньше работы против электрического поля шара. Стоит отметить, когда шар ещё не заполнен водой полностью, то капле достаточно долететь до шара, внутри шара напряжённость электрического поля равна 0 и капля внутри шара движется лишь под действием силы гравитации.
Итак, $h$ - это высота капельницы над поверхностью шара. Критерием минимальности высоты будет то обстоятельство, что капля достигает поверхности шара с нулевой скоростью - вся потенциальная энергия гравитационного взаимодействия массы капли с Землей идёт на преодоление сил электростатического взаимодействия заряда капли с одноименным зарядом шара. Мы здесь пренебрегаем толщиной стенок полого шара.
Запишем закон сохранения энергии для процесса падения капли массы $m$ с зарядом $q$:
$$mgh=q\left[ \varphi(R)-\varphi(R+h) \right]$$
где $\varphi(R)$ это потенциал сферы радиуса $R$ на её поверхности, а $\varphi(R+h)$ это потенциал, которая заряженная сфера создаёт на расстоянии $h$ от её поверхности (на уровне начала падения капель).
Электрический потенциал в некоторой точке $r$ вне шара (электростатически у нас полая сфера) с полным зарядом $Q$:
Массу капли воды выразим через плотность воды и объём капли:
$$m=\frac{4}{3}\rho\pi r^{3}$$
По закону сохранения заряда: $Q=Nq$, где $N$ - число капель нужных, чтобы заполнить шар водой. Это число можно найти из отношения объёмов шара к капле:
Расстояние $R+h$ это высота размещения капельницы, но только отсчитанная не от поверхности шара, а от центра шара: $H=R+h$. В этом случае минимальная высота будет:
$H=\frac{3q^{2}R^{2}}{16\pi^{2}\varepsilon_{0}\rho gr^{6}}$, где $H$ отсчитывается от центра шара.
### Условие
### Условие
$6.3.35.$ Из капельницы 1 в полый изолированный металлический шар 2 радиуса $R$ падают капли воды, каждой из которых сообщают заряд $q$. Какой должна быть наименьшая высота падения капель для того, чтобы шар заполнился водой? Радиус капли $r\ll R$.
$6.3.35.$ Из капельницы 1 в полый изолированный металлический шар 2 радиуса $R$ падают капли воды, каждой из которых сообщают заряд $q$. Какой должна быть наименьшая высота падения капель для того, чтобы шар заполнился водой? Радиус капли $r\ll R$.
Когда капли начинают падать внутрь шара, каждая новая капля сталкивается с электростатическим отталкиванием от уже накопленного заряда на шаре.
Когда капли начинают падать внутрь шара, каждая новая капля сталкивается с электростатическим отталкиванием от уже накопленного заряда на шаре.
Если шар — идеальный, изолированный проводник, то его заряд распределяется по внешней поверхности. При попадании капли внутрь она передаёт свой заряд шару, и с ростом общего заряда шара растёт электрический потенциал шара, который создаёт электрическое поле, отталкивающее новые заряженные капли. Внутри металлического проводника в электростатическом равновесии электрическое поле равно нулю, и весь заряд оказывается на поверхности, то есть электростатически шар можно рассматривать как заряженную сферу. Процесс передачи каплей воды своего заряда можно считать мгновенным по сравнению с процессом капания капель.
Если шар — идеальный, изолированный проводник, то его заряд распределяется по внешней поверхности. При попадании капли внутрь она передаёт свой заряд шару, и с ростом общего заряда шара растёт электрический потенциал шара, который создаёт электрическое поле, отталкивающее новые заряженные капли. Внутри металлического проводника в электростатическом равновесии электрическое поле равно нулю, и весь заряд оказывается на поверхности, то есть электростатически шар можно рассматривать как заряженную сферу. Процесс передачи каплей воды своего заряда можно считать мгновенным по сравнению с процессом капания капель.
Чтобы новая капля достигла шара, её кинетическая энергия при падении с высоты $h$ должна быть не меньше работы против электрического поля шара. Стоит отметить, когда шар ещё не заполнен водой полностью, то капле достаточно долететь до шара, внутри шара напряжённость электрического поля равна 0 и капля внутри шара движется лишь под действием силы гравитации.
Чтобы новая капля достигла шара, её кинетическая энергия при падении с высоты $h$ должна быть не меньше работы против электрического поля шара. Стоит отметить, когда шар ещё не заполнен водой полностью, то капле достаточно долететь до шара, внутри шара напряжённость электрического поля равна 0 и капля внутри шара движется лишь под действием силы гравитации.
Итак, $h$ - это высота капельницы над поверхностью шара. Критерием минимальности высоты будет то обстоятельство, что капля достигает поверхности шара с нулевой скоростью - вся потенциальная энергия гравитационного взаимодействия массы капли с Землей идёт на преодоление сил электростатического взаимодействия заряда капли с одноименным зарядом шара. Мы здесь пренебрегаем толщиной стенок полого шара.
Итак, $h$ - это высота капельницы над поверхностью шара. Критерием минимальности высоты будет то обстоятельство, что капля достигает поверхности шара с нулевой скоростью - вся потенциальная энергия гравитационного взаимодействия массы капли с Землей идёт на преодоление сил электростатического взаимодействия заряда капли с одноименным зарядом шара. Мы здесь пренебрегаем толщиной стенок полого шара.
Запишем закон сохранения энергии для процесса падения капли массы $m$ с зарядом $q$:
Запишем закон сохранения энергии для процесса падения капли массы $m$ с зарядом $q$:
$$mgh=q\left[ \varphi(R)-\varphi(R+h) \right]$$
$$mgh=q\left[ \varphi(R)-\varphi(R+h) \right]$$
где $\varphi(R)$ это потенциал сферы радиуса $R$ на её поверхности, а $\varphi(R+h)$ это потенциал, которая заряженная сфера создаёт на расстоянии $h$ от её поверхности (на уровне начала падения капель).
где $\varphi(R)$ это потенциал сферы радиуса $R$ на её поверхности, а $\varphi(R+h)$ это потенциал, которая заряженная сфера создаёт на расстоянии $h$ от её поверхности (на уровне начала падения капель).
Электрический потенциал в некоторой точке $r$ вне шара (электростатически у нас полая сфера) с полным зарядом $Q$:
Электрический потенциал в некоторой точке $r$ вне шара (электростатически у нас полая сфера) с полным зарядом $Q$:
Массу капли воды выразим через плотность воды и объём капли:
Массу капли воды выразим через плотность воды и объём капли:
$$m=\frac{4}{3}\rho\pi r^{3}$$
$$m=\frac{4}{3}\rho\pi r^{3}$$
По закону сохранения заряда: $Q=Nq$, где $N$ - число капель нужных, чтобы заполнить шар водой. Это число можно найти из отношения объёмов шара к капле:
По закону сохранения заряда: $Q=Nq$, где $N$ - число капель нужных, чтобы заполнить шар водой. Это число можно найти из отношения объёмов шара к капле:
Расстояние $R+h$ это высота размещения капельницы, но только отсчитанная не от поверхности шара, а от центра шара: $H=R+h$. В этом случае минимальная высота будет: