Плоский воздушный конденсатор с расстоянием между обкладками 5 мм зарядили до разности потенциалов 50 В и отключили от источника. Затем в конденсатор поместили параллельно обкладкам металлическую пластинку толщиной 1 мм. Найдите установившуюся разность потенциалов на конденсаторе. Площади обкладок конденсатора и пластин одинаковы.
от

1 Ответ

Дано:  
d = 5 мм = 0.005 м (расстояние между обкладками конденсатора)  
U_initial = 50 В (начальная разность потенциалов)  
t_plate = 1 мм = 0.001 м (толщина металлической пластинки)

Найти: установившуюся разность потенциалов U_final на конденсаторе после размещения пластинки.

Решение:

1. Определим общую длину изолятора в конденсаторе до и после помещенной пластинки.
   - Исходная длина (толщина) между обкладками: d = 0.005 м
   - После вставки металлической пластинки новая длина будет:
   d_total = d - t_plate = 0.005 - 0.001 = 0.004 м

2. Найдем начальную емкость конденсатора C_initial. Емкость плоского конденсатора определяется формулой:
   
C = ε_0 * S / d

где ε_0 = 8.85 * 10^(-12) Ф/м (постоянная диэлектрическая проницаемость вакуума), а S - площадь обкладок. Площадь не влияет на расчет, поскольку она сократится при нахождении новой емкости.

Для начальной емкости:
C_initial = ε_0 * S / d

3. После добавления металлической пластинки емкость изменится. Конденсатор теперь состоит из двух последовательных частей: часть с диэлектриком и часть с металлом.

Общая длина d_total = d - t_plate = 0.004 м.
При этом можно считать, что пластинка не влияет на емкость, а только на потенциальное распределение.

4. Найдем новую емкость C_final после добавления пластинки. Поскольку мы рассматриваем две части, одна из которых с воздухом, а другая - с металлом, для расчета можно использовать аналогию с двумя последовательно соединенными конденсаторами.

Обозначим:
d_air = 0.004 м (длина, где находится воздух)
d_metal = 0.001 м (длина, где находится металл)

Таким образом,
C_air = ε_0 * S / d_air
C_metal = бесконечная емкость (так как у металла нет разности потенциалов).

Теперь общая емкость можно выразить как:
1/C_final = 1/C_air + 1/C_metal
Поскольку C_metal стремится к бесконечности, то:
C_final ≈ C_air

5. Теперь найдем новое значение разности потенциалов U_final:

Сначала определим заряд Q, который остался на конденсаторе после отключения от источника. Он равен:

Q = C_initial * U_initial

Теперь, используя новую емкость, можем найти U_final:
U_final = Q / C_final

Подставим значения:
Q = (ε_0 * S / d) * U_initial
U_final = (ε_0 * S / d) * U_initial / (ε_0 * S / d_air)

После сокращения получаем:
U_final = U_initial * (d_air / d)

6. Подставим известные значения:
d_air = 0.004 м
d = 0.005 м
U_initial = 50 В

U_final = 50 * (0.004 / 0.005)
U_final = 50 * 0.8
U_final = 40 В

Ответ:  
Установившаяся разность потенциалов на конденсаторе после помещения металлической пластинки составит 40 В.
от