Electricitatea statică – probleme și soluții

Electricitatea statică – probleme și soluții

Forța electrică

1. Punctul A într-un câmp electric . Mărimea câmpului electric în punctul A = 0.5 NC⁻¹ ^. Dacă o sarcină de 0.25 C este plasată în punctul A, atunci care este forța electrică exercitată asupra sarcinii?

Cunoscut:

Câmp electric în punctul A = 0.5 NC ^-1

Sarcina electrică în punctul A = 0.25 C

Se caută: Forță electrică

soluţie:

F = q E

F = (0.25 °C)(0.5 NC ^-1 )

F = 0.125 N

2. Două sarcini electrice , 5 C și 4 C, sunt separate de o distanță de 3 metri. Dacă constanta Coulomb este 9 × 10 ⁹ Nm² ^{C –2} , care este magnitudinea forței electrice exercitate de cele două sarcini?

Cunoscut:

Sarcina 1 (q² ₎ = 5 C

Sarcina 2 (q² ₎ = 4 C

Distanța dintre sarcina 1 și sarcina 2 (r) = 3 metri

Constanta lui Coulomb (k) = 9 ^{× 109} Nm²C – ²

Căutat: Magnitudinea forței electrice (F)

soluţie:

3. Sarcina electrică +q₁ ₌ 10 μC; + _q₂ = 20 μC; și q₃ _sunt separate, așa cum se arată în figura de mai jos. Dacă forța electrică exercitată asupra sarcinii q₂ ₌ 0, atunci care este sarcina lui _q₃?

Cunoscut:

Sarcina 1 (q² ₎ = 10 μC = 10 x ^10⁻⁶C

Sarcina 2 (q² ₎ = 20 μC = 20 x ^10⁻⁶C

Cerut: Care este sarcina lui q3_?

soluţie:

Există două forțe care acționează asupra +q₂.

Prima forță este forța de respingere dintre sarcina +q1 _și sarcina +q2 _, adică F12 _, spre dreapta.

Forța electrică netă acționează asupra q² ₌ 0, atunci q³ _trebuie să fie negativ.

A doua forță este forța atractivă dintre sarcina +q2 _și -q3 _, adică F23 _, spre stânga.

Ambele forțe acționează asupra lui q₂, au aceeași magnitudine, dar direcție opusă.

Forța netă acționează asupra +q² ₌ 0.

4. Trei sarcini q₁ _, q și q₂ _sunt aliniate. Dacă q = 5.0 μC și d = 30 cm, atunci care este magnitudinea și direcția forței electrice care acționează asupra sarcinii q?

Cunoscut:

Sarcina 1 (q² ) ₌ 30 μC = 30 x ^10⁻⁶C

Sarcina 2 (q² ) ₌ 60 μC = 60 x ^10⁻⁶C

Sarcina 3 (q) = 5 μC = 5 x ^10⁻⁶ C

Distanța dintre q1 _și q = d

Distanța dintre q² _și q = 2d

d = 30 cm = 0.3 metri

d² = (0.3) ^{² =} 0.09

Constanta lui Coulomb (k) = 9 x ^10⁶ N ^m² C ^-2

Cerință: Mărimea și direcția forței electrice care acționează asupra sarcinii electrice

soluţie:

Există două forțe care acționează asupra punctului q și care sunt F1 _spre dreapta (q și q1 _sunt pozitive, deci F1 _departe de q și _q1 ) și F2 _spre stânga (q și q2 _sunt pozitive, deci F2 _departe de q și q2 ₎ . Mai întâi s-au calculat _F1 și _F2.

Forța netă este de 7.5 newtoni. Direcția forței nete = direcția lui F₁, punct spre dreapta către sarcina q₂.

Câmp electric

5. O sarcină punctuală q se află în punctul P în câmpul electric produs de sarcină (+), astfel încât experimentează o forță de 0.05 N în direcția către sarcină. Dacă magnitudinea câmpului electric în punctul P este 2 x 10⁻² ^NC⁻¹ , atunci care este magnitudinea și tipul sarcinii care provoacă câmpul electric^?

Cunoscut:

Forța electrică (F) = 0.05 N

Câmp electric (E) = 2 x 10 ^–2 NC ^–1 = 0.02 NC ^–1

Cerere: Magnitudinea și tipul sarcinii electrice

soluţie:

Sarcina electrică se calculează folosind o formulă care exprimă relația dintre forța electrică (F), câmpul electric (E) și sarcina electrică (q):

F = q E

q = F / E = 0.05 N / 0.02 NC ^–1 = 2.5 Coulombs

Sarcina q experimentează o forță electrică în direcția sarcinii (+) care produce un câmp electric, deci sarcina q este negativă.

6. Sarcinile A și B sunt separate de o distanță de 4 metri. Punctul C se află între ambele sarcini, la 1 metru de punctul A. Dacă Q _A = –300 μC, Q _B = 600 μC. 1/4 π ε ₀ = 9 × 10 ⁹ N m² ^C– 2, atunci care este magnitudinea câmpului electric în punctul C produs de ambele sarcini.

Cunoscut:

Distanța dintre sarcinile A și B (r _AB ) = 4 metri

Distanța dintre punctul C și sarcina A (r _AC ) = 1 metru

Distanța dintre punctul C și sarcina B (r _BC ) = 3 metri

Sarcina A (q _A ) = –300 μC = -300 x ^10⁻⁶ C = -3 x ^10⁻⁴ Coulomb

Sarcina B (qB ₎ = 600 μC = 600 x ^10⁻⁶ C = 6 x ^10⁻⁴ Coulombs

Constanta (k) = 9 × ¹⁰⁹ N ^m² C ^–2

Cerut: Câmp electric în punctul C

soluţie:

Câmpul electric produs de sarcina A în punctul C:

Sarcina A este negativă, astfel încât direcția câmpului electric este orientată spre sarcina A și în direcția opusă sarcinii B (spre stânga).

Câmpul electric produs de sarcina B în punctul C:

Sarcina B este pozitivă, astfel încât direcția câmpului electric este opusă sarcinii B și indică sarcina A (spre stânga).

Rezultanta câmpului electric în punctul A:

E = E _A + E _B

E = (27 x 10⁻⁵ ⁾ + (6 x ^10⁻⁵ )

E = 33 x 10⁵ ^N /C

Direcția câmpului electric indică sarcina A și în direcția opusă sarcinii B (spre stânga).

7. Un praf de 1 mg plutește în aer. Dacă sarcina prafului este de 0.5 μC și accelerația gravitațională este de 10 m/s2, determinați magnitudinea câmpului electric care susține praful.

Cunoscut:

Masa prafului (m) = 1 mg = 1 x ^10⁻⁶ kg

Sarcina de praf (q) = 0.5 μC = 0.5 x ^10⁻⁶ C

Accelerația gravitațională (g) = 10 m/ ^s²

Căutat: Câmp electric

soluţie:

w = mg

w = greutatea prafului, m = masa prafului, g = accelerația gravitațională

Forța gravitațională acționează asupra prafului:

w = mg = (1 x 10⁻⁶ ^kg )(10 m/s² ⁾ = 10 x ^10⁻⁶ kg m/s² ⁼ 10 x ^10⁻⁶ newtoni

Ecuația câmpului electric:

E = F / q

E = câmp electric, F = forță electrică, q = sarcină electrică

Înlocuiți F în ecuația câmpului electric cu w în ecuația greutății:

E = F/q = w/q

E = (10 x 10⁻⁶ ^N ) / (0.5 x ^10⁻⁶ C)

E = 10 N / 0,5 °C

E = 20 N/C

8. Două sarcini _q1 = 32 μC și q2 ₌ -214 μC sunt separate de o distanță de x, așa cum se arată în figura de mai jos. Nu există câmp electric în punctul P situat la 10 cm de q2 _. Calculați x.

Cunoscut:

Sarcina 1 (Q1 ₎ = 32 μC

Sarcina 2 (Q2 ₎ = -214 μC

Distanța punctului P de la q ₁ = x + 10 cm

Distanța punctului P de q² ₌ 10 cm

Caut: x

soluţie:

E1 ₌ câmp electric produs de sarcina Q1 _. Direcția câmpului electric este opusă Q1 _deoarece Q1 _este pozitiv. _E2 = câmp electric produs de Q2 _. Direcția câmpului electric indică spre Q2 _deoarece Q2 _este negativ.

Nicio forță netă în punctul p situat la 10 cm de _Q2

Folosește formula pătratică:

9. Un punct încărcat q se află în punctul P din câmpul electric produs de sarcina (+), având astfel o forță de 0.05 N. Dacă sarcina este +5 × l0^-6 Coulomb, atunci care este magnitudinea câmpului electric în punctul C.

Cunoscut:

Forța electrică (F) = 0.05 newtoni

Sarcină electrică (Q) = +5 × l0 ^–6 Coulomb = 0.000005

Căutat: Câmp electric în punctul P

soluţie:

E = F / Q

E = 0.05 Newtoni / 0.000005 Coulombi

E = 5 Newtoni / 0.0005 Coulombi

E = 10,000 Newton/Coulomb

E = 10⁴ ^N /C

E = ^10⁴ NC ^-1

1. Ce este electricitatea statică? RăspundeElectricitatea statică se referă la acumularea de sarcină electrică pe suprafața obiectelor. Se numește „statică” deoarece sarcinile rămân într-o singură zonă, în loc să se miște sau să curgă, așa cum se întâmplă în cazul curentului electric.
2. Cum se generează electricitatea statică? RăspundeElectricitatea statică este adesea generată prin procesul de încărcare triboelectrică, în care anumite materiale se încarcă atunci când intră în contact prin frecare cu un alt material. Frecarea unui balon de păr sau mersul pe un covor cu pantofi cu talpă de cauciuc poate duce la acumularea de sarcini statice.
3. De ce ai uneori un șoc când atingi clanța unei uși după ce ai pășit pe un covor? RăspundeMersul pe covor, în special în condiții uscate, poate provoca acumularea de sarcini statice pe corp. Când atingeți un mâner de ușă sau un alt conductor, sarcinile se pot descărca rapid, rezultând un șoc static.
4. Cum afectează umiditatea electricitatea statică? RăspundeUmiditatea tinde să reducă acumularea de electricitate statică. Moleculele de apă din aer pot ajuta la disiparea sarcinilor electrice. În zilele mai uscate, există o probabilitate mai mare de acumulare de electricitate statică și șocuri.
5. De ce sunt unele materiale mai predispuse la dezvoltarea unei încărcări statice decât altele? RăspundeMaterialele diferă în ceea ce privește capacitatea lor de a reține sau transfera electroni. Unele materiale, cum ar fi cauciucul sau anumite materiale plastice, tind să câștige sau să piardă electroni mai ușor decât altele, ceea ce le face mai predispuse la acumularea de sarcină statică.
6. Care este principiul din spatele unui electroscop? RăspundeUn electroscop este un dispozitiv utilizat pentru a detecta prezența unei sarcini statice. De obicei, constă dintr-o tijă metalică conectată la două foițe subțiri de folie metalică. Când un obiect încărcat este adus în apropierea tijei, foițele se depărtează din cauza respingerii sarcinilor similare, indicând prezența electricității statice.
7. Cum elimină împământarea încărcările statice? RăspundeÎmpământarea oferă o cale pentru ca excesul de sarcină să se deplaseze către Pământ, care este un rezervor vast de sarcini. Când un obiect încărcat static este legat la pământ, sarcinile suplimentare sunt neutralizate, reducând sau eliminând acumularea de electricitate statică.
8. De ce ați putea vedea scântei într-un siloz de cereale sau în timpul realimentării unui avion și de ce este acest lucru periculos? RăspundeMișcarea sau frecarea cerealelor de suprafețe poate genera electricitate statică, la fel și în cazul fluxului de combustibil. Dacă există o acumulare de sarcină statică, aceasta se poate descărca sub formă de scânteie. În medii cu gaze, praf sau lichide inflamabile (cum ar fi într-un siloz de cereale sau în timpul realimentării unui avion), aceste scântei pot aprinde materialul inflamabil, ducând la explozii.
9. Cum funcționează spray-urile sau produsele antistatice? RăspundeSpray-urile și produsele antistatice conțin de obicei substanțe care fac suprafețele ușor conductive. Procedând astfel, acestea previn acumularea de sarcini statice sau ajută la disiparea oricăror sarcini care se acumulează.

10. Ce este seria triboelectrică? Răspuns : Seria triboelectrică este o listă care clasifică materialele în funcție de tendința lor de a se încărca pozitiv sau negativ atunci când sunt frecate de un alt material. Materialele din partea de sus a listei tind să se încarce pozitiv, în timp ce cele din partea de jos tind să se încarce negativ.