Hei, elikkäs en mitenkään saa ratkaistua alla olevaa tehtävää, niin voisiko joku kiltti ihminen kertoa miten se ratkaistaan tai jopa ratkaista sen?
Levykondensaattorin pyöreiden levyjen halkaisija on 14,8 cm ja levyjen välinen etäisyys 61 mm. Levyjen välinen jännite on 870 V. Levyjen väliin tuodaan varattu pallo 21 cm:n ripustuslangan varassa. Lanka muodostaa 5,0o:n kulman pystysuunnan kanssa. Mikä on pallon sähkövaraus, kun sen massa on 1,3 g?
Levykondensaattorin pyöreiden levyjen halkaisija on 14,8 cm ja levyjen välinen etäisyys 61 mm. Levyjen välinen jännite on 870 V. Levyjen väliin tuodaan varattu pallo 21 cm:n ripustuslangan varassa. Lanka muodostaa 5,0o:n kulman pystysuunnan kanssa. Mikä on pallon sähkövaraus, kun sen massa on 1,3 g?
Vastaukset 10
Vanhimmat
eipä täällä juurikaan ole kilttejä ihmisiä, ainakaan kovin montaa
Voit lähteä siitä, että tuon kokoisessa levysysteemissä vaikuttava sähkökenttä ei ole homogeeninen, joten numeerisiin approksimaatioihin tuo johtaa.
Korjataan "tuon kokoinen" tuon muotoiseksi.
Sähköopin opinnoistani on vierähtänyt jo jonkin verran aikaa, mutta sanotaan silti jotain:
Tehtävässä oletetaan ilmeisesti, että sähkökenttä on homogeeninen , ainakin levyjen välisessä tilassa levyjen keskipisteen ympärillä, sillä levyjen halkaisija on kohtalaisen suuri verrattuna levyjen väliseen etäisyyteen? Silloin levyjen välinen jännite (sen itseisarvo tarkemmin sanottuna) saadaan yhtälöstä: U = E * L, missä L = 61mm = 0,0061m ja U = 870V. Laske tästä yhtälöstä sähkökentän voimakkuus E.
Tutkitaan sitten pallon liiketilaa: pallo pysyy paikallaan eli kyse on tasapainosta (vertaa mekaniikan opinnot). Matemaattisesti tasapaino määritellään siten, että kappaleeseen vaikuttavien voimien vektorisumma on nolla (eli x- ja y-akselin suuntaiset voimat (niiden resultantit) ovat nollia. Piirrä siis ensin kuvio, jossa näkyy palloon kohdistuvat voimat: painovoima 0,0013kg * 9,81kgm/s^2 alaspäin, palloon kohdistuva sähköinen voima F = q * E sivullepäin (sähkökentän voimakkuus E laskettu yllä ja q on kysytty varaus, joka täytyy lopulta ratkaista) ja 5,0 asteen kulmassa oleva langan jännitysvoima (siis yläviistoon 5 astetta). Toimi niin kuin mekaniikassakin aina toimitaan tasapainovoimia ratkottaessa. Saadaan yhtälöpari, josta q voidaan ratkaista.
Mutta kuten sanottu, opinnoistani on kulunut jo monta vuotta, joten en mene takuuseen siitä, että ratkaisuperiaate on oikea:
Muuten menee hyvin, mutta annetun tehtävän perusteella ei ole syytä olettaa että sähköinen voima osoittaisivälttämättä juuri sivullepäin. Aivan yhtä hyvin se voi osoittaa 60 astetta ala- tai yläviistoon.
Eli ko voiman F suunnan kulma vaakatasoon nähden on tehtävän parametri, jonka funktiona vastaus tulee antaa.
F=qE, E=U/d
tan (5°)=qE/m/g→q=tan (5°)*m*g*d/U
=0,00000007815C
Ilmeisesti tehtävässä on kuva, jossa kondensaattorilevyt ovat pystyssä eli niiden tuottama sähkökenttä vaakasuuntainen.
Levykondensaattorin sähkökentän merkittävä epähomogeenisuus ulottuu levyjen välissä vain noin parin levyjen välisen etäisyyden päähän levyjen reunasta. Sitä syvemmällä levyjen välissä on sähkökenttä varsin homogeeninen. Näin siis ainakin sen perusteella mitä olen itse kenttiä numeerisesti joutunut ratkaisemaan.
Laplacen yhtälön numeerisesti ratkaisevia softia löytyy vapaasti verkosta esimerkiksi Q_u_i_c_k_f_i_e_l_d. Sellaisen tekeminen itse ei ole kovin hankalaa, kun tässä riittää kaksiulotteinen mallinnus eikä algoritmin tarvitse olla tehokas.
Mihinkä tässä peräti Laplacea tarvitaan? thoyssa on laskenut mutkattomasti ja oikein merkitsemällä vaakasuorat voimakomponentit yhtäsuuriksi:
mg tan(5 astetta) = q E missä E = U/d.
Laplace liittyy vain ja ainoastaan levykondensaattorin sähkökentän ratkaisemiseen, jos siis jotakuta oikeasti kiinnostaa nähdä reunasta aiheutuvan kentän epähomogeenisuuden vähäisyys kaukana reunasta. Tasaista sähkökenttää käyttäen minäkin tuon voimatasapainon tietenkin ratkaisisin.
Suoran levykondensaattorin sisällä sähkökenttä on homogeeninen.