Задача 5: малое тело падает на плоскость

Малое тело массой m и зарядом q удерживают в покое на небольшом расстоянии d от неподвижной металлической плоскости. Сколько времени потребуется, чтобы тело достигло плоскости, если его отпустить? Силой тяжести пренебречь.

(Двести физических задач. Библиотечка кванта. Задача 90).



Решение:

Легко показать, что заряд q, расположенный вблизи проводящей плоскости, приводит к такому перераспределению заряда на этой плоскости, что электрическое поле вблизи плоскости со стороны заряда q идентично полю, которое создают этот заряд и фиктивный заряд −q, расположенный симметрично относительно плоскости. Это лежит в основе принципа зеркальных изображений. Таким образом, сила притяжения F, действующая на тело со стороны плоскости, рассчитывается по закону Кулона:
F(x) = kq2,
4x2
где k — константа и x — расстояние между плоскостью и телом в любой момент времени. Первоначально тело находится на расстоянии 2d от заряда изображения. Эта сила аналогична силе тяготения, возникающей между телами массами:
M = kq2,
4Gm 
и m, расположенных на расстоянии x друг от друга, т. е.:
F = GMm .
x2
На основе этой аналогии третий закон Кеплера дает соотношение между периодом обращения T планеты и большой полуосью a ее эллиптической орбиты:
T2= 2.
a3GM
Если заряженное тело отпущено на расстоянии d от металлической плоскости, то его орбиту можно рассматривать как выродившийся эллипс с главной полуосью:
a = d.
2
Время Th, через которое заряд попадает на плоскость, равно половине периода вращения по выродившейся орбите:
 Th = T=π√(md3).
2q2k


Далее: металлическая пластина залита слоем диэлектрика   [тема: «нестандартные» задачи по электростатике]