14.11 (17.11). Два незаряженных стеклянных кубика 1 и 2 сблизили вплотную и поместили в электростатическое поле, напряжённость которого направлена горизонтально вправо, как показано в левой части рисунка. То же самое проделали с двумя незаряженными медными кубиками 3 и 4. Затем кубики быстро раздвинули и уже потом убрали электрическое поле (правая часть рисунка).
Выберите все верные утверждения, описывающие данный процесс.
1) После разделения кубик 3 приобретает отрицательный заряд.
2) При помещении стеклянных кубиков в электростатическое поле наблюдается явление поляризации.
3) В электростатическом поле кубики 1 и 2 приобретают суммарный отрицательный заряд.
4) В электростатическом поле кубики 3 и 4 приобретают суммарный отрицательный заряд.
5) После разделения кубик 2 приобретает положительный заряд.
Ответ: ____.
Источники:
1. ЕГЭ. Физика. Отличный результат (https://web-physics.ru/smf/index.php?msg=238) / под ред. М. Ю. Демидовой. — Москва: Издательство «Национальное образование», 2022. — 736 с. — (ЕГЭ. ФИПИ — школе).
2. ЕГЭ. Физика. Отличный результат (https://web-physics.ru/smf/index.php?msg=928) / под ред. М. Ю. Демидовой. — Москва: Издательство «Национальное образование», 2024. — 496 с. — (ЕГЭ. Отличный результат. Учебная книга).
Анализ условия. 1) По условию напряжённость электростатического поля направлена горизонтально вправо.
2) По условию кубики 1 и 2 стеклянные незаряженные. Стекло — это диэлектрик, в котором нет свободных зарядов.
3) По условию кубики 3 и 4 медные незаряженные. Медь — это проводник, свободными зарядами в котором являются электроны.
Теория. 1) Под действием внешнего электростатического поля (напряжённость которого направлена вправо) диполи (нейтральные атомы, в которых центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают) внутри диэлектрика стремятся повернуться так, что их положительный заряд оказывается правее отрицательного. В итоге к поверхности диэлектрика справа повернуто больше положительных зарядов, а к поверхности слева — больше отрицательных зарядов. На поверхности диэлектрика образуются связанные заряды.
Процесс образования зарядов на поверхности диэлектрика под действием внешнего электростатического поля называют поляризацией.
2) Связанные заряды на поверхности диэлектрика создают свое электрическое поле с напряженностью Eдиэл направленной в противоположную сторону напряженности E внешнего поля. Так как Eдиэл < E, то общая напряженность Eобщ электрического поля уменьшается в ε раз, где ε — это диэлектрическая проницаемость диэлектрика.
3) Сила, с которой электрическое поле действует на свободные электроны проводника, направлена в противоположную сторону напряженности E, т.к. заряд электрона отрицательный. Поэтому под действием внешнего электрического поля (напряжённость которого направлена вправо) свободные электроны смещаются влево. Слева в проводнике образуется область с избытком электронов, т.е. область с отрицательным зарядом. Справа в теле образуется область с недостатком электронов, т.е. область с положительным зарядом.
Явление возникновения электрических зарядов на проводнике под воздействием электрического поля называется электростатической индукцией, а возникшие заряды – индуцированными.
4) Индуцированные заряды внутри проводника создают свое электрическое поле с напряженностью Eпр направленной в противоположную сторону напряженности E внешнего поля. Так как Eпр = E, то общая напряженность Eобщ электрического поля внутри проводника становится равной нулю.
5) Поверхность проводника в электрическом поле эквипотенциальна, т.е. все точки поверхности имеют одинаковый потенциал. Потенциал внутри проводника равен потенциалу на его поверхности.
Решение. Проверим каждое утверждение.
1) После разделения кубик 3 приобретает отрицательный заряд.
4) В электростатическом поле кубики 3 и 4 приобретают суммарный отрицательный заряд.
По условию кубики 3 и 4 касаются друг друга и сделаны из проводника (меди). Под действием внешнего электрического поля свободные электроны проводника смещаются влево. Тогда слева в кубике 3 образуется избыток электронов, т.е. кубик получает отрицательный заряд. Справа в кубике 4 образуется недостаток электронов, т.е. кубик получает положительный заряд (см. теорию пункт 1). Но общий (суммарный) заряд проводников при этом не изменяется, т.е. кубики остаются незаряженными.
После раздвигания в электрическом поле на кубике 3 остается избыток электронов, т.е. на кубике будет отрицательный заряд.
Утверждение № 1 верное.
Утверждение № 4 неверное.
2) При помещении стеклянных кубиков в электростатическое поле наблюдается явление поляризации.
Стекло — это диэлектрик. На поверхности диэлектрика под действием внешнего электростатического поля образуются заряды и этот процесс называют поляризацией (см. теорию пункт 1).
Утверждение № 2 верное.
3) В электростатическом поле кубики 1 и 2 приобретают суммарный отрицательный заряд.
По условию кубики 1 и 2 стеклянные, а стекло — это диэлектрик. На поверхности диэлектрика под действием внешнего электростатического поля образуются заряды, справа положительные, слева отрицательные (см. теорию пункт 1). Но общий (суммарный) заряд диэлектрика при этом не изменяется, т.е. кубики остаются незаряженными.
Утверждение № 3 неверное.
5) После разделения кубик 2 приобретает положительный заряд.
По условию кубики 1 и 2 касаются друг друга и сделаны из диэлектрика (стекла). Под действием внешнего электрического поля происходит поворот диполя, но нет перемещения диполей вдоль диэлектрика (см. теорию пункт 1). Поэтому заряды образуются только на поверхности диэлектриков: справа на поверхности кубика 2 положительный заряд, слева на поверхности кубика 1 отрицательный.
После раздвигания в электрическом поле на кубике 2 на его поверхности так же будут связанные заряды (справа положительный, слева отрицательный). Но общий заряд кубика равен нулю. После отключения электрического поля из-за теплового движения ориентация диполей нарушится, и зарядов на поверхности не станет.
Утверждение № 5 неверное.
Ответ: 12.