21. Молекулярная физика - электродинамика: качественная задача: #207086
Маленький незаряженный шарик массой $m$ подвешен на непроводящей нити длиной $l$ над горизонтальной диэлектрической пластиной с равномерно распределенным положительным зарядом. Размеры пластины значительно превышают длину нити. Определите, как изменится частота малых свободных колебаний шарика, если ему сообщить отрицательный заряд $-q.$ Обоснуйте ответ, используя законы механики и электродинамики.
Без заряда.
Частота колебаний математического маятника:
$$ \nu_0 = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{g}{l}} $$
С зарядом.
Появляется дополнительная сила Кулона, направленная вниз:
$$ F_E = \frac{\sigma q}{2\epsilon_0} $$ где $\sigma$ — поверхностная плотность заряда пластины.
Эффективное ускорение:$$ g_{eff} = g + \frac{F_E}{m} = g + \frac{\sigma q}{2m\epsilon_0} $$
Новая частота колебаний:
$$ \nu = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{g_{eff}}{l}} = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{g}{l} + \frac{\sigma q}{2m\epsilon_0 l}} $$
$$ \nu > \nu_0 $$так как $\dfrac{\sigma q}{2m\epsilon_0 l} > 0.$
Ответ:
Частота колебаний шарика увеличится после сообщения ему отрицательного заряда.