НОФ 2019, II кръг (областен), 10–12 клас — Задача 2. Генератор на ван дер Грааф
Олимпиада по физика 2019, областен кръг, тема за четвърта състезателна група (10. – 12. клас) · 5 февруари 2019 г. · 10 т.
Условие
Генераторът на ван дер Грааф (фиг. 2, а) е електростатична машина, с чиято помощ може да се получат електрични напрежения до милиони волтове. Генераторът и до днес се използва в някои ядрени лаборатории като ускорител на протони или по-тежки йони. Генераторът се състои от куха метална сфера 1 с радиус cm, която е свързана към метална „четка“ 2, която се трие във въртящ се гумен ремък 3. Поради триенето между четката и ремъка, върху ремъка се натрупват електрони, а върху повърхността на металната сфера – същото количество положителен заряд. Електроните от ремъка се „отвеждат“ към земята посредством втора заземена четка 4 (вж. фиг. 2, а).

В задачата можете да използвате факта, че електричното поле на зарядите по повърхността на металната сфера е еквивалентно на полето на точков заряд със същата големина, намиращ се в центъра на сферата. Приемете, че потенциалът на Земята е нула.
Данни
Елементарен електричен заряд: C;
Константа в закона на Кулон: N.m/C;
Маса на протона: kg.
а) Върху сферата се натрупват заряди дотогава, докато във въздуха започнат да прескачат искри. Известно е, че електричен пробив във въздуха настъпва при интензитет на електричното поле V/m. Колко е максималният заряд , който може да се натрупа върху сферата? [2 т.]
б) Колко е потенциалът на сферата, когато зарядът ѝ достигне максималната си стойност? [1 т.]
в) Минимум каква работа трябва да извърши устройството, което задвижва ремъка, така че сферата да се зареди максимално? Коментирайте с едно-две изречения, защо пресметната от вас работа е по-малка от реално извършената работа. [4 т.]
г) В ядрен експеримент метална пластина трябва да бъде облъчена с високоенергетични протони. За целта до повърхността на сферата е поставен източник на протони с пренебрежимо малка начална скорост (фиг. 2, б). Протоните се ускоряват в дълъг вакуумиран канал, в чийто край е поставена заземената метална пластина . С каква скорост протоните достигат пластината? [3 т.]

Отговори
а)
б)
в)
Реалната извършена работа е по-голяма, защото върху ремъка действат и сили на триене.
г)
Решение
а) Интензитетът на полето върху повърхността на сферата е:
[1 точка]
Откъдето намираме максималния заряд върху сферата:
[1 точка]
б) Потенциалът на сферата е съответно:
[1 точка]
в) Потенциалът на Земята е нула. Следователно докато сферата се зарежда, напрежението между Земята и сферата се променя от до . [1 точка]
Средното напрежение, докато трае зареждането, е:
[1 точка]
Устройството, задвижващо ремъка, трябва да извърши работа за преодоляване на електричните сили, действащи на електроните върху ремъка:
[1 точка]
Реалната извършена работа е по-голяма, защото върху ремъка действат и сили на триене. [1 точка]
Алтернативно решение. Сферата и Земята може да бъдат разглеждани като плочи на кондензатор. [0,5 точки] Напрежението между Земята и сферата е равно на разликата в техните потенциали:
[0,5 точки]
Енергията на заредения кондензатор е:
[0,5 точки]
Като вземем предвид, че:
[0,5 точки]
и че работата за зареждане на кондензатора е равна на електричната му потенциална енергия, намираме:
[1 точка]
Реалната извършена работа е по-голяма, защото върху ремъка действат и сили на триене. [1 точка]
г) Промяната на кинетичната енергия на протона е равна на работата на електричните сили:
[1 точка]
Тъй като пластинката е заземена, нейният потенциал е нула. Следователно напрежението между източника и пластинката е:
[1 точка]
Оттук намираме:
[1 точка]
Оригинал в Архива: NOF2_2019_10-12problems.pdf · официални решения: NOF2_2019_10-12solutions.pdf