New solution

Valter edited
revision #20623 newer →
@@ -0,0 +1,63 @@
+### Условие
+
+$6.6.15.$ [Вставьте условие задачи]
+
+### Решение
+
+### Условие
+
+$6.6.15.$ Электрофильтр состоит из длинной металлической трубы и нити, направленной вдоль оси. Между ними создается разность потенциалов $V$. По трубе пропускают воздух с пылью.
+<b>а.</b> К какому электроду — к нити или к трубе — притягиваются пылинки?
+<b>б.</b> Чему равна сила, действующая на пылинку с диэлектрической проницаемостью $\varepsilon_2$, если сила, действующая на пылинку такого же радиуса, но с диэлектрической проницаемостью $\varepsilon_1$, равна $F_1$? Обе пылинки одинаково удалены от нити.
+<b>в.</b> Как зависит сила притяжения от разности потенциалов? от расстояния до нити?
+$г^\ast$. Во сколько раз сила, действующая на пылинку радиуса $R$, больше силы, действующей на пылинку радиуса $r < R$? Диэлектрическая проницаемость пылинок одинакова, и они находятся на одинаковом расстоянии от нити.
+
+### Решение
+
+<b>а)</b> Найдем распределение электрического поля внутри электрофильтра. Система представляет собой цилиндрический конденсатор. По теореме Гаусса напряженность электрического поля $E$ на расстоянии $x$ от оси нити обратно пропорциональна этому расстоянию: $E(x) \propto 1/x$. Таким образом, поле максимально вблизи нити и убывает по мере приближения к трубе.
+Пылинка изначально электрически нейтральна, однако во внешнем поле она поляризуется, приобретая наведенный дипольный момент $\vec{p}$, сонаправленный с полем. На диполь в неоднородном поле действует сила:
+$$F_x = p \frac{\partial E}{\partial x}$$
+Поскольку поле убывает с расстоянием, градиент $\partial E / \partial x < 0$. Это означает, что вектор силы направлен против оси $x$, то есть втягивает пылинку в область более сильного поля. Следовательно, пылинки всегда притягиваются <b>к нити</b>.
+
+<b>б)</b> Найдем зависимость индуцированного дипольного момента от диэлектрической проницаемости. Поместим диэлектрический шар (пылинку) радиуса $R$ в однородное внешнее поле $\vec{E}_0$. Поляризация приводит к появлению на поверхности связанных зарядов, которые создают внутри шара деполяризующее поле:
+$$\vec{E}_{\text{депол}} = -\frac{\vec{P}}{3\varepsilon_0}$$
+где $\vec{P}$ — вектор поляризованности. Истинное поле внутри шара равно сумме полей:
+$$\vec{E}_{\text{вн}} = \vec{E}_0 - \frac{\vec{P}}{3\varepsilon_0}$$
+По определению поляризованности линейного диэлектрика:
+$$\vec{P} = \varepsilon_0(\varepsilon - 1)\vec{E}_{\text{вн}} = \varepsilon_0(\varepsilon - 1)\left(\vec{E}_0 - \frac{\vec{P}}{3\varepsilon_0}\right)$$
+Выразим отсюда вектор поляризованности:
+$$\vec{P} \left( 1 + \frac{\varepsilon - 1}{3} \right) = \varepsilon_0(\varepsilon - 1)\vec{E}_0 \implies \vec{P} = 3\varepsilon_0 \frac{\varepsilon - 1}{\varepsilon + 2} \vec{E}_0$$
+Полный дипольный момент пылинки $p$ равен произведению поляризованности на объем шара $V = \frac{4}{3}\pi R^3$:
+$$p = P \cdot V = 4\pi\varepsilon_0 R^3 \frac{\varepsilon - 1}{\varepsilon + 2} E_0$$
+Так как втягивающая сила пропорциональна дипольному моменту ($F \propto p$), она зависит от проницаемости как:
+$$F \propto \frac{\varepsilon - 1}{\varepsilon + 2}$$
+Запишем отношение сил для двух пылинок:
+$$\frac{F_2}{F_1} = \frac{\frac{\varepsilon_2 - 1}{\varepsilon_2 + 2}}{\frac{\varepsilon_1 - 1}{\varepsilon_1 + 2}}$$
+Отсюда находим искомую силу:
+$$F_2 = F_1 \frac{(\varepsilon_2 - 1)(\varepsilon_1 + 2)}{(\varepsilon_1 - 1)(\varepsilon_2 + 2)}$$
+
+<b>в)</b> Напряженность поля цилиндрического конденсатора выражается через разность потенциалов $V$, радиус нити $r_0$ и радиус трубы $R_0$:
+$$E(x) = \frac{V}{x \ln(R_0/r_0)}$$
+Поскольку $p = \alpha E$ (где $\alpha$ — константа пылинки, найденная в пункте б), силу можно переписать в виде:
+$$F = p \frac{\partial E}{\partial x} = \alpha E \frac{\partial E}{\partial x} = \frac{1}{2}\alpha \frac{\partial (E^2)}{\partial x}$$
+Подставим функцию поля $E(x)$:
+$$E^2 = \frac{V^2}{x^2 \ln^2(R_0/r_0)} \implies \frac{\partial (E^2)}{\partial x} = -\frac{2V^2}{x^3 \ln^2(R_0/r_0)}$$
+Отсюда видно, что по модулю сила притяжения прямо пропорциональна квадрату напряжения и обратно пропорциональна кубу расстояния:
+$$F \propto V^2; \quad F \propto \frac{1}{x^3}$$
+
+<b>г)</b> Как было строго выведено в пункте (б), индуцированный дипольный момент шара прямо пропорционален его объему (кубу радиуса):
+$$p = 4\pi\varepsilon_0 R^3 \frac{\varepsilon - 1}{\varepsilon + 2} E_0 \implies p \propto R^3$$
+При одинаковом материале ($\varepsilon$) и одинаковом положении в пространстве ($E$ и $\partial E/\partial x$ равны), втягивающая сила зависит исключительно от дипольного момента:
+$$F \propto p \propto R^3$$
+Следовательно, отношение сил равно отношению кубов радиусов пылинок:
+$$\frac{F_R}{F_r} = \frac{R^3}{r^3}$$
+
+#### Ответ
+а. К нити
+б. $F_2 = F_1 \frac{(\varepsilon_2 - 1)(\varepsilon_1 + 2)}{(\varepsilon_1 - 1)(\varepsilon_2 + 2)}$
+в. $F \propto V^2$, $F \propto 1/x^3$
+г. В $R^3 / r^3$ раз
+
+#### Ответ
+
+[Вставьте краткий ответ или результат в рамке]