background image

 

Pole elektrostatyczne - Zadanie 1 

Treść: 
O ile więcej ładunków elementarnych ujemnych niż dodatnich zawiera kula 
naładowana ładunkiem Q=-1.6

.

10

-2

C

Dane: 
Q= -1.6 

.

 10

-2

 C 

e = 1.6 

.

 10

-19

 C 

Szukane: 
n = ? 

Wzory: 

 
Rozwiązanie: 
Szukamy liczby ładunków elementarnych. Znamy wartość pojedynczego ładunku 
elementarnego, która wynosi  

 

 
W celu rozróżnienia, czy mamy do czynienia z ładunkiem ujemnym, czy ładunkiem 
dodatnim, możemy dodać odpowiedni znak przed tą wartością. Ponieważ szukamy liczby 
ładunków ujemnych, zatem:  

 

 
Zanim podamy rozwiązanie, pomyślmy, co oznacza liczba Q
Jeżeli jakieś ciało ma tyle samo ładunków ujemnych i ładunków dodatnich, wtedy Q = 0
Oznacza to, że gdy Q < 0, to wtedy w danym ciele jest przewaga ładunków ujemnych, a jeśli 
Q > 0, to wtedy owe ciało posiada więcej ładunków dodatnich. 
 
W naszym zadaniu wartość Q jest wartością ujemną, zatem kula zawiera więcej ładunków 
ujemnych i wartość różnicy ładunków ujemnych i ładunków dodatnich wynosi Q = -1.6 

.

 10

-2

 

C. Oznacza to, że jeżeli chcemy obliczyć liczbę ładunków ujemnych, to wartość Q musimy 
podzielić przez ładunek elementarny e. To tak, jakbyśmy chcieli obliczyć, ile jabłek po 0.50 
zł za sztukę możemy kupić za 200 zł. Zatem:  
 
 

 

 
Kula posiada 10

17

 więcej ładunków ujemnych niż dodatnich. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 

Pole elektrostatyczne - Zadanie 2 

Treść: 
Dwa różnoimienne ładunki punktowe o wartości 1C każdy, znajdujące się w 
ośrodku o stałej dielektrycznej 2, umieszczone są w odległości 1m. Jaką siłą 
przyciągają się te ładunki? 

Dane: 
q = 1 C 
r = 1 m 
ε

R

 = 2 

Szukane: 
F = ? 

Wzory: 

Rysunek: 

 

 
Rozwiązanie: 
Dwa ładunki różnoimienne o wartości Q każdy zgodnie z prawem Coulomba przyciągają się 
tymi samymi co do wartości siłami F. Zależność tę wyrażamy wzorem  

 

 
k to współczynnik proporcjonalności, który wyrażamy wzorem:  

 

 
Wartość ε

0

 to przenikalność dielektryczna próżni, która zawsze wynosi (wartości tej szukaj 

zawsze w tablicach fizycznych):  

 

 
a wartość ε

R

 to przenikalność dielektryczna danego środowiska (liczba niemianowana, w 

próżni wynosi 1 - czyli jest to jakaś wielokrotność wartości ε

0

). 

 
 
Po uwzględnieniu tego wszystkiego wzór wynikający z prawa Coulomba przybiera 
następującą postać:  

 

 
Możemy więc obliczyć szukaną wartość siły  

background image

 

 

 
Sprawdzamy jednostkę:  

 

 
Ładunki punktowe przyciągają się siłą równą około 4.5 

.

 10

9

 N

 

 

Pole elektrostatyczne - Zadanie 3 

Treść: 
Dwa ładunki punktowe znajdowały się w pewnej odległości od siebie. 
Zmniejszenie odległości o 10cm spowodowało czterokrotny wzrost siły 
wzajemnego oddziaływania. Ile wynosiła początkowa odległość między 
ładunkami? 

Dane: 
d = 10 cm = 0.1 m 
4 F

1

 = F

2

 

Szukane: 
x = ? 

Wzory: 

Rysunek: 

 

 
Rozwiązanie: 
Dwa ładunki elektryczne (załóżmy, że znajdują się w szarych kulach) działają na siebie 
zgodnie z prawem Coulomba jakąś siłą F. Zauważcie, że nie wiemy nic o znakach ładunków - 
przyjmijmy więc, że jeden ma wartość Q, a drugi wartość q
Oba ładunki na początku (1) znajdowały się w szukanej odległości x. Wtedy siła 
oddziaływania ładunków miała wartość zgodnie z prawem Coulomba  

 

 
Potem (2) zmniejszamy odległość o d = 10 cm i wtedy siła oddziaływania ładunków wynosi  

 

background image

 

 
Z treści zadania wiemy jeszcze, że po zbliżeniu ładunków odnotowano czterokrotny wzrost 
siły wzajemnego oddziaływania  

 

 
 
 
Podstawiamy wartości sił wyliczone wcześniej:  

 

 
Wartość ładunków oczywiście się nie zmienia, współczynnik proporcjonalności k również jest 
stały, bo nie zależy od odległości. Wyliczamy więc szukaną wartość x:  

 

 
Początkowa odległość między ładunkami wynosiła 20 cm

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 

Pole elektrostatyczne - Zadanie 4 

Treść: 
Dwa ładunki elektryczne działają na siebie w próżni siłą F. Jak należy zmienić 
odległość między tymi ładunkami, by po zanurzeniu ich w cieczy o stałej 
dielektrycznej ε

R

=81, siła ich wzajemnego oddziaływania nie zmieniła się? 

Dane: 

ε

R

 = 81 

Szukane: 
r

2

 = ? 

Wzory: 

 
Rozwiązanie: 
Mamy dwa ładunki - przyjmijmy, że jeden z nich ma wartość q, a drugi wartość Q
Na początku ładunki te znajdują się w próżni (w próżni ε

R

 = 1) i oddziałują na siebie siłą 

wynikającą z prawa Coulomba:  

 

 
Współczynnik k

1

 dla próżni wynosi:  

 

 
Zatem  

 

 
Potem umieszczamy ładunki w cieczy o stałej dielektrycznej ε

R

 = 81. Wtedy siła wzajemnego 

oddziaływania wynosi...  

 

 
 
 
...a współczynnik k

2

...  

 

 
...więc:  

 

 
Chcemy, aby siły oddziaływania nie zmieniły się, czyli:  

 

 
Stąd możemy wyrazić szukaną odległość r

2

.  

background image

 

 

 
Po zanurzeniu odległość między ładunkami należy zmniejszyć 9 razy. 

 
 
Pole elektrostatyczne - Zadanie 5 

Treść: 
Dwie jednakowe przewodzące kulki oddalone od siebie o r, naładowane 
ładunkami 2q i 6q, odpychają się siłą F

1

. Jak zmieni się siła F

2

 w stosunku do siły 

F

1

, jeżeli kulki ze sobą zetkniemy i rozsuniemy na taką samą odległość r

Dane: 

F

1

 

q

1

 = 2q 

q

2

 = 6q 

Szukane: 
F

1

 / F

2

 = ? 

Wzory: 

 
Rozwiązanie: 
Na początku mamy dwie kulki naładowane ładunkiem 2q i 6q. Siła wzajemnego 
oddziaływania pomiędzy tymi kulkami, zgodnie z prawem Coulomba, wynosi  

 

 
Potem kulki ze sobą stykamy. Ponieważ kulki dążą do równowagi elektrostatycznej, ładunki 
w obu kulkach wyrównają się i zgodnie z zasadą zachowania ładunku będą wynosić po 4q
Wtedy siła wzajemnego oddziaływania wynosić będzie  

background image

 

 

 
Pamiętajmy, że odległość r nie zmienia się, a współczynnik k jest stały, gdyż nie zmieniamy 
środowiska, w którym znajdują się kulki. 
Obliczmy szukany stosunek sił:  

 

 
 
 
Po zetknięciu kulek i rozsunięciu ich na odległość r, siła wzajemnego oddziaływania wzrośnie 
4/3 razy (czyli o 1/3). 

 

 

 

 

 

Pole elektrostatyczne - Zadanie 6 

Treść: 
Dwa dodatnie ładunki punktowe q i 4q znajdują się w odległości r od siebie. W 
jakiej najbliższej odległości od ładunku q znajduje się punkt, w którym natężenie 
pola elektrostatycznego równa się zeru? Oblicz potencjał w tym punkcie. 

Dane: 

4q 

Szukane: 
x = ? V = ? 

Wzory: 

Rysunek: 

 

background image

 

 
Rozwiązanie: 
Mamy znaleźć punkt, położony jak najbliżej ładunku q, w którym natężenie pola 
elektrostatycznego będzie równe zeru; punkt ten oznaczamy literą P
Oba ładunki wytwarzają dookoła siebie pole elektrostatyczne. Tak więc działają tutaj dwa 
pola, korzystamy więc z zasady superpozycji, która mówi że natężenie pola w danym punkcie 
jest sumą wektorową natężeń pól wytwarzanych przez każdy z tych ładunków niezależnie. 
Szukany punkt znajduje się na linii prostej łączącej oba ładunki (patrz rysunek). Jest wiele 
takich punktów, w których natężenie równa się zeru, znajdują się one jednak w 
nieskończoności. 
Przyjmijmy oznaczenia odległości, jakie są na rysunku. Pamiętajmy że wektor natężenia ma 
zawsze zwrot skierowany od ładunku dodatniego. Korzystając z zasady superpozycji oraz 
tego, że w punkcie P natężenie jest równe zeru, mamy:  

 

 
 
 
Tak więc wartości wektorów  

 

 
Korzystamy teraz ze wzoru na natężenie pola:  

 

 
gdzie k jest stałe. 
Możemy już wyliczyć szukaną odległość x, upraszczając na samym początku wzór:  

 

 
Zatem punkt ten znajduje się w odległości r/3 od ładunku q.  
 
Czas zająć się potencjałem. Potencjał ten będzie dodatni, ponieważ znajdujemy się w polu 
ładunków dodatnich. 
Zgodnie z zasadą nakładania się pól potencjał w punkcie P jest sumą algebraiczną:  

 

 
Podstawiamy dane:  

background image

 

 

 
 

Jamnik 

 
Pole elektrostatyczne - Zadanie 7 

Treść: 
Trzy ładunki q

1

=-5

.

10

-4

Cq

2

=5

.

10

-4

C i q

3

=10

-4

C umieszczono we 

wierzchołkach trójkąta o bokach równych a=3mb=4m i c=5m
tak jak na rysunku. Ile wynosi siła działająca na ładunek q

3

Dane: 
q

1

 = -5 

.

 10

-4

 C 

q

2

 = 5 

.

 10

-4

 C 

q

3

 = 10 

-4

 C 

a = 3 m 
b = 4 m 
c = 5 m 

Szukane: 
F = ? 

Wzory: 

 
Rozwiązanie: 
Ponieważ a

2

 + b

2

 = c

2

, to mamy do czynienia z trójkątem prostokątnym. 

Zastanówmy się, jakie siły działają na ładunek q

3

.  

 

 
Pamiętajmy, że ładunki jednoimienne odpychają się, zaś różnoimienne przyciągają. Siłą 
działającą na ładunek q

3

 jest siła wypadkowa F powstała z sił F

1

 i F

2

 i wyliczyć ją można z 

twierdzenia Pitagorasa:  

background image

 

10 

 

 
Korzystamy z prawa Coulomba, by podać wartości składowych sił:  

 

 
Sprowadzamy dwa ułamki pod pierwiastkiem do mianownika  
 
 

 

 
gdzie:  

 

 
Ze wzoru wyprowadziliśmy spod pierwiastka co się dało, mimo to otrzymany wzór jest mało 
przyjemny. Możecie się pokusić o wyliczenie dokładnej wartości siły. :) 

 
 
 
Pole elektrostatyczne - Zadanie 8 

Treść: 
Dwa ładunki punktowe q

1

=2

.

10

-4

C i q

2

=-2

.

10

-4

C umieszczono w odległości 

r

1

=1m. Jaką pracę należy wykonać aby zwiększyć ich odległość do r

2

=2m

Dane: 
q

1

 = 2 

.

 10

-4

 C 

q

2

 = -2 

.

 10

-4

 C 

r

1

 = 1 m 

r

2

 = 2m 

Szukane: 
W = ? 

Wzory: 

 
Rozwiązanie: 
Energia potencjalna dwóch ładunków q

1

 i q

2

, umieszczonych w odległości r jest równa  

 

background image

 

11 

 
Szukana praca jest równa przyrostowi energii potencjalnej układu:  

 

 
Pamiętaj, że k to stała (zakładamy, że ładunki znajdują się w próżni):  

 

 
Zatem możemy podać wartość wykonanej pracy  

 

 
Sprawdźmy jeszcze jednostkę:  

 

 
 
 
Wykonana praca równa się 180 J

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 

12 

Pole elektrostatyczne - Zadanie 9 

Treść: 
Mamy dipol elektryczny, w którym dwa ładunki wynoszą Q=(+/-)2

.

10

-4

C, a 

odległość pomiędzy ładunkami r=12m. Jaką należy wykonać pracę, aby przenieść 
ładunek q=10

-5

C z punktu A, odległego o x=10m od każdego z ładunków Q, do 

punktu B odległego o y=8m od każdego z ładunków Q

Dane: 
Q = 2 

.

 10

-4

 C 

r = 12 m 
q = 10

-5

 C 

x = 10 m 
y = 8 m 

Szukane: 
W = ? 

Wzory: 

Rysunek: 

 

 
Rozwiązanie: 
Na początku trzeba dowiedzieć się, czym jest dipol elektryczny. 
Dipol składa się z dwóch jednakowych ładunków (Q) o przeciwnych znakach, umieszczonych 
w odległości r (patrz rysunek). 
 
Zgodnie z treścią zadania umieszczamy jakiś ładunek q w odległości x od każdego z naszych 
ładunków Q (punkt A). Potem przesuwamy ten ładunek do punktu, w którym odległość od 
każdego z ładunków Q wynosi y. Takie punkty możliwe są dwa, oznaczyłem je przez B i B'. 
Zauważmy że punkty te tworzą prostą, która jest symetralną odcinka o długości r (przerywana 
linia). 
 
Ponieważ każdy punkt na symetralnej odcinka jest równo odległy od ładunków Q, to zgodnie 
z zasadą superpozycji pól potencjał V na symetralnej jest stały i wynosi zero:  

 

 

background image

 

13 

 
 
Zamiast odległości r możemy wstawić dowolną inną odległość, ale zawsze wyjdzie zero. Tak 
więc potencjał w punkcie A, B oraz B' równy jest zeru. 
Ale zaraz! My mieliśmy obliczyć pracę. 
Przypomnijmy sobie jednak jeden ze wzorów na pracę w polu elektrostatycznym, w którym 
występuje potencjał  

 

 
A ponieważ...  

 

 
...to:  

 

 
Praca W jest równa zeru. 

 

 

 

Pole elektrostatyczne - Zadanie 10 

Treść: 
Proton o ładunku e i masie m, mający prędkość v, zbliża się do nieruchomego 
ładunku dodatniego Q. Ile wynosi minimalna odległość r

min

, na którą zbliży się 

proton do ładunku Q

Dane: 



Szukane: 
r

min

 = ? 

Wzory: 

 
Rozwiązanie: 
Proton ma ładunek dodatni. 
Zgodnie z zasadą zachowania energii całkowitej początkowa energia kinetyczna protonu (bo 
gdzieś w nieskończoności nie ma energii potencjalnej pola elektrostatycznego) zostanie 
zamieniona na energię potencjalną w punkcie największego zbliżenia ładunków (ponieważ 
dwa ładunki dodatnie się odpychają, to siła coulombowska, powodująca to odpychanie, 
zahamuje proton, czyli wtedy energia kinetyczna będzie równa zeru). 
 
Zapiszmy zasadę zachowania energii (pamiętajmy, że dla ładunków jednoimiennych energia 
potencjalna ma wartość dodatnią): 

background image

 

14 

 

 
Otrzymany wzór wyraża minimalną odległość, na jaką zbliży się proton do ładunku Q

 

Pole elektrostatyczne - Zadanie 11 

Treść: 
64 krople rtęci, o równych promieniach, naładowane takimi samymi ładunkami, 
łączą się w jedną dużą kroplę. Jeżeli V

1

 oznacza potencjał przy powierzchni małej 

kropli, a V

2

 przy powierzchni dużej kropli, to oblicz stosunek V

2

 / V

1

Dane: 
64 małe krople  
1 duża kropla 
q - ładunek małej kropli 

Szukane: 
V

2

 / V

1

 = ? 

Wzory: 

 
Rozwiązanie: 
Potencjał przy powierzchni małej kropli o promieniu r

1

, naładowanej ładunkiem q, jest równy  

 

 
Analogicznie dla dużej kropli o promieniu r

2

 mamy  

 

 
Możemy znaleźć również zależność promieni małej i dużej kropli. Ponieważ objętość dużej 
kropli równa jest łącznej objętości małych kropel więc 

 

 
Ponieważ potencjał i objętość oznacza się w fizyce zwyczajowo literą V, nie pomylcie tych 
wielkości fizycznych! 
Ostatecznie szukany stosunek wynosi:  

background image

 

15 

 

 
 
 
Szukany stosunek potencjałów wynosi więc 16

 

 

 

Pole elektrostatyczne - Zadanie 12 

Treść: 
Potencjał w punkcie P pola elektrycznego trzech 
ładunków punktowych q

1

=qq

2

=2qq

3

 jest równy 

zeru. Ile wynosi ładunek q

3

Dane: 
q

1

 = q 

q

2

 = 2q 

Szukane: 
q

3

 = ? 

Wzory: 

 
Rozwiązanie: 
Obiecuję, że zadanie nie jest trudne. 
Przede wszystkim trzeba znać zasadę składania potencjałów, jeżeli mamy kilka ładunków w 
polu. Zasada ta mówi, że potencjał w danym punkcie pola jest równy sumie algebraicznej 
potencjałów pochodzących od każdego ładunku. A więc potencjał V w punkcie P wynosi  

 

 
gdzie V

i

 oznacza potencjał w punkcie P liczony dla i-tego ładunku (i = 1, 2, 3). 

 
Z zadania wiemy, że potencjał w punkcie P jest równy zeru.  

 

 
Za każdy potencjał podstawiamy wartość zgodną ze wzorem i rysunkiem  

 

background image

 

16 

 
Uprościliśmy wzór ze stałej k i odległości d
 
 
Podstawiamy dane wartości ładunków q

1

 i q

2

  

 

 
Teraz możemy wyliczyć szukaną wartość ładunku q

3

  

 

 
Zatem szukany ładunek ma wartość -6 q

 

 

 

Pole elektrostatyczne - Zadanie 13 

Treść: 
Ładunki punktowe q

1

=qq

2

=-sqrt(2)q i q

3

=2q umieszczono na 

przekątnej kwadratu o boku a. Ile wynosi potencjał w punkcie K 
(wierzchołek kwadratu)? Narysuj wektor natężenia pola 

elektrostatycznego w tym punkcie oraz określ jego wartość (sqrt(2) oznacza 
pierwiastek z 2). 

Dane: 
q

1

 = q 

q

2

 = - sqrt(2)q 

q

3

 = 2q 

Szukane: 
V = ? 
E = ? 

Wzory: 

 
Rozwiązanie: 
Podobnie jak w zadaniu poprzednim, musimy skorzystać z zasady obliczania potencjału w 
danym punkcie pola, jeżeli w polu jest kilka ładunków. Zasada ta mówi, że potencjał V w 
punkcie K jest równy sumie algebraicznej potencjałów związanych z poszczególnymi 
ładunkami  

 

 
Podstawiamy wartości potencjałów zgodnie ze wzorem. Zauważ, że ładunek q

2

 oddalony jest 

od punktu K o odległość równą połowie przekątnej kwadratu o boku a. Ponieważ przekątna 
kwadratu jest równa (można ją wyliczyć z tw. Pitagorasa)  

 

background image

 

17 

 
to odległość ładunku q

2

 od punktu K wynosi  

 

 
 
 
Zatem potencjał V:  

 

 
 
 
Mamy jeszcze narysować wektor natężenia pola E w punkcie K. Wektor natężenia pola ma 
zwrot zawsze od ładunku dodatniego (czyli inaczej mówiąc w kierunku ładunku ujemnego). 
Rysujemy składowe natężenia pola pochodzącego od każdego z ładunków.  

 

 
Składowe te zostały narysowane orientacyjnie. 
Zasada superpozycji mówi, że aby obliczyć wektor natężenia pola, należy zastosować sumę 
wektorową poszczególnych składowych. 
Obliczmy wartości poszczególnych składowych wektora natężenia pola:  

background image

 

18 

 

 
Składową E

2

 możemy rozłożyć na dwie składowe E

2-1

 i E

2-2

  

 

 
E

2-1

 i E

2-2

 mają tę samą wartość, ponieważ wektor E

2

 leży na przekątnej kwadratu, więc 

wektory E

2-1

 i E

2-2

 są również bokami (mniejszego) kwadratu  

 

 
stąd  

 

 
Teraz popatrzmy na oba rysunki. 
Zauważymy, że w kierunku poziomym  

 

 
Wektory te równoważą się i nie odgrywają roli w ustalaniu cech wektora natężenia pola E
Patrzymy teraz na kierunek poziomy. Wektor E

2-2

 ma większą wartość niż wektor E

1

background image

 

19 

Oznacza to, że wektor E skierowany jest w kierunku poziomym ze zwrotem ku dołu o 
wartości (wyliczanej zgodnie z zasadami odejmowania wektorów) 

 

 
 

Pole elektrostatyczne - Zadanie 14 

Treść: 
W punkcie A, leżącym w połowie odległości między 
ładunkami dodatnimi o nieznanej wartości, natężenie pola 
elektrostatycznego jest równe E. Jaką wartość ma ładunek q

jeżeli odległość między ładunkami wynosi r

Dane: 

Szukane: 
q = ? 

Wzory: 

 
Rozwiązanie: 
Ładunki q i 2q wytwarzają pewne pole elektrostatyczne. Na rysunku zaznaczano wektor 
natężenia pola elektrostatycznego w punkcie A. Zasada superpozycji mówi, że jeżeli chcemy 
policzyć natężenie pola elektrostatycznego w jakimś punkcie pola, w którym jest kilka 
ładunków, to natężenie tego pola przedstawiamy jako sumę wektorową natężeń pól 
pochodzących od każdego z ładunków. 
Zatem nasze natężenie E  

 

 
Obliczmy natężenia pola pochodzące od każdego z ładunków:  

 

 
Wektor natężenia pola skierowany jest zawsze od ładunku dodatniego  

 

 
Tak więc zgodnie z zasadą odejmowania wektorów, aby otrzymać wartość wektora E należy 
od wektora E

2q

 odjąć wektor E

q

  

 
 

 

background image

 

20 

 
Zauważcie, że pierwszy wzór przedstawiał zapis wektorowy sytuacji, ten powyższy natomiast 
przedstawia zapis niewektorowy; pozwala on nam wyliczyć wartość wektorów. Zatem  

 

 
Z otrzymanej zależności możemy wyliczyć ładunek q.  

 

 
Pamiętajmy, że k to stała, która zależy między innymi od środowiska, w którym znajduje się 
pole. Zakładamy, że ładunki znajdują się w próżni.  

 

 
 

Jamnik 

 
Pole elektrostatyczne - Zadanie 15 

Treść: 
Takie same ładunki Q znajdują się w każdym rogu kwadratu o boku a
Poszczególne ładunki zostają uwalniane pojedynczo zgodnie z ruchem 
wskazówek zegara. Uwalniany ładunek osiąga swoją końcową prędkość zanim 
kolejny ładunek zostanie uwolniony. Jakie są końcowe energie kinetyczne 
wszystkich czterech ładunków? 

Dane: 

a - bok kwadratu 
k - stała 

Szukane: 
E

K

 = ? 

Wzory: 

Rysunek: 

 

background image

 

21 

 
Rozwiązanie: 
Na rysunku czerwonymi cyframi zaznaczono kolejność "wypadania" ładunków. 
Przy rozwiązywaniu zadania korzystamy z zasady zachowania energii. Gdy na początku 
ładunek znajduje się w wierzchołku kwadratu posiada on energię potencjalną pola 
elektrostatycznego, ale nie posiada energii kinetycznej, ponieważ prędkość ładunku równa 
jest zeru. Gdy ładunek zacznie się oddalać, dotrze on do takiego punktu, w którym energia 
potencjalna jest równa zeru (punkt taki, zgodnie z teorią, znajduje się nieskończenie daleko). 
Wtedy całkowita początkowa energia potencjalna zostanie zamieniona na energię kinetyczną. 
Tak więc za każdym razem:  

 

 
Musimy zastanowić się, jak wyznaczyć energię potencjalną w polu elektrostatycznym. Nie 
jest to trudne, należy skorzystać ze wzoru pierwszego, który przekształcamy do postaci:  
 
 

 

 
gdzie V jest potencjałem elektrostatycznym, który wyznaczamy ze wzoru:  

 

 
Najpierw zajmujemy się ładunkiem pierwszym. Potencjałem całkowitym jest tutaj suma 
potencjałów pochodzących od każdego ładunku (zgodnie z zasadą superpozycji):  

 

 
Zauważmy, że przy ładunku trzecim odległością jest długość przekątnej kwadratu, a w 
pozostałych przypadkach - długość boku kwadratu. 
Wyliczamy energię potencjalną  

 

 
A ponieważ E

K

 = E

P

  

 

 
Teraz gdy ładunek pierwszy jest daleko w nieskończoności, to nie wpływa on na pozostałe 
ładunki, tak więc pozostały nam trzy ładunki. 
W podobny sposób liczymy energie kinetyczne dla pozostałych ładunków:  

background image

 

22 

 

 
Słowo wyjaśnienia należy się w przypadku ostatnim. Otóż wtedy zostaje nam tylko jeden 
ładunek, bo pozostałe są w nieskończoności. W takim wypadku ładunek ten nie ma z czym 
oddziaływać, a więc pozostaje w spoczynku. Wtedy energia kinetyczna równa jest zeru. 

Pole elektrostatyczne - Zadanie 16 

Treść: 
Jaką wartość powinno mieć natężenie pola, aby pole elektrostatyczne nadało 
cząstce o masie m i ładunku q przyspieszenie równe przyspieszeniu ziemskiemu? 

Dane: 


Szukane: 
E = ? 

Wzory: 

 
Rozwiązanie: 
Pole elektrostatyczne nadaje cząstce przyspieszenie a równe przyspieszeniu ziemskiemu g:  

 

 
Zgodnie z II zasadą dynamiki przyspieszenie możemy zapisać jako iloraz siły powodującej 
przyspieszenie przez masę cząstki:  

 

 
Działającą siłą jest tu oczywiście siła wynikająca z prawa Coulomba, które zapisujemy 
wzorem  

 

 
gdzie: 
q - to ładunek cząstki, 
Q - ładunek źródła pola elektrostatycznego, 
r - odległość pomiędzy q a Q
k - stała zależna od środowiska, w którym znajdują się ładunki. 
 
 
 
Nasze równanie przyjmuje więc postać  

 

 
Mamy znaleźć natężenie pola elektrostatycznego, które wyrażamy wzorem  

background image

 

23 

 

 
Zauważ, że we wzorze tym jest wartość ładunku Q, czyli wartość ładunku źródłowego. 
Przekształcając dalej nasze równanie otrzymujemy:  

 

 
Teraz bez problemu możemy wyprowadzić wzór na natężenie pola  

 

 
Sprawdzimy jeszcze, czy otrzymamy poprawną jednostkę (pamiętaj, że jednostką natężenia 
pola jest wolt na metr).  

 

 
skorzystaliśmy z tego, że siła to iloraz pracy (energii) przez przesunięcie, a iloraz energii 
przez ładunek to napięcie. 

Pole elektrostatyczne - Zadanie 17 

Treść: 
W każdym wierzchołku trójkąta równobocznego o boku a umieszczono ładunek q 
i w ten sposób wykonano łącznie pracę W. Jakiej pracy wymaga zbudowanie 
takiego samego trójkąta o boku a/2

Dane: 
a - bok trójkąta 

Szukane: 
W' = ? 

Wzory: 

Rysunek: 

 

 
Rozwiązanie: 

background image

 

24 

Aby obliczyć pracę, korzystamy z jednego ze wzorów na pracę w polu elektrostatyczną. My 
wybraliśmy wzór  

 

 
Za ΔV przyjmiemy całkowity potencjał pola, który wyliczymy z zasady superpozycji 
potencjałów, która mówi, że potencjał całkowity równy jest sumie algebraicznej potencjałów 
składowych. 
 
Spójrzmy najpierw na trójkąt o boku a
Na każdy ładunek q działają dwa inne ładunki oddalone w każdym przypadku o a. Potencjał 
wyliczony dla jednego z ładunków q wynosi:  

 

 
A ponieważ takich ładunków mamy trzy sztuki, to całkowity potencjał wynosi  

 

 
 
 
Pamiętajmy, że k to stała zależna od środowiska, w którym znajdują się ładunki - jednak, jak 
zobaczycie później, ona wcale nie będzie nam potrzebna. 
Wykonana praca przy budowie trójkąta pierwszego  

 

 
 
 
Teraz zajmiemy się trójkątem o boku a/2
Rzecz z potencjałami ma się identycznie jak poprzednio. 
Potencjał w punkcie pola, w którym znajduje się jeden z ładunków wyrażamy...  

 

 
a ponieważ mamy trzy ładunki, to:  

background image

 

25 

 

 
Czyli wykonana praca wynosi:  

 

 
Tak więc aby zbudować trójkąt o boku a/2 należy wykonać dwa razy większą pracę, niż przy 
budowie trójkąta o boku a

Pole elektrostatyczne - Zadanie 18 

Treść: 
Natężenie pola elektrostatycznego w pewnym punkcie ma wartość 10

2

N/C i zwrot 

pionowo w dół. Jaki będzie kierunek, zwrot i wartość wektora siły działającej na 
ładunek ujemny o wartości 10

-6

C, który umieścimy w tym punkcie? 

Dane: 
E = 10

2

 N/C 

q = 10

-6

 C 

Szukane: 
F = ? 

Wzory: 

Rysunek: 

 

 
Rozwiązanie: 
Wektor natężenia pola elektrostatycznego E ma zawsze zwrot "od plusa do minusa". A 
ponieważ ładunek ujemny Q będzie przyciągać się tylko z dodatnim ładunkiem, oznacza to, 
że zwrot siły F będzie skierowany ku górze, a kierunek oczywiście będzie pionowy. 
Pozostało nam wyliczenie wartości siły F. Korzystamy ze wzoru na natężenie pola 
elektrostatycznego  

 

background image

 

26 

 
Aby wyliczyć z niego siłę, należy go przekształcić i wyliczyć szukaną wartość:  

 

 
Na ładunek działa siła o wartości 10

-4

 N skierowana pionowo w górę. 

Pole elektrostatyczne - Zadanie 19 

Treść: 
Proton i cząstka α (alfa) zostały przyspieszone tą samą różnicą potencjałów. Jaka 
jest zależność pomiędzy prędkością protonu oraz prędkością cząstki alfa? 

Dane: 
U

p

 = U

α

 

Szukane: 
v

p

 / v

α

 = ? 

Wzory: 

 
Rozwiązanie: 
Nim zaczniemy rozwiązywać, trzeba znać podstawowe informacje o cząstkach alfa. Cząstka 
alfa składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów; ma ładunek dodatni.  

 

 
Teraz spróbujemy wyrazić prędkość ładunku wskutek przyspieszenia go różnicą potencjałów. 
Aby przenieść dodatni ładunek przez różnicę potencjałów ΔV (zwaną dalej napięciem U
należy wykonać pracę  

 

 
Praca ta w polu elektrostatycznym równa jest oczywiście energii potencjalnej.  

 

 
Po przebyciu całej różnicy potencjałów, energia potencjalna zostanie całkowicie zamieniona 
na energię kinetyczną  
 
 

 

 
I właśnie z tego ostatniego równania spróbujemy wyprowadzić stosowny wzór:  

 

background image

 

27 

 
Wracamy do treści zadania. Liczymy kolejno prędkość protonu i prędkość cząstki alfa, 
uwzględniając to, że przebywają one takie samo napięcie (różnicę potencjałów):  

 

 
Oznacza to, że:  

 

 
 

Pole elektrostatyczne - Zadanie 20 

Treść: 
Kulę przewodzącą o promieniu r, naładowaną do potencjału V, zetknięto z 
nienaelektryzowaną kulą o trzykrotnie większym promieniu. Ile wynosi potencjał 
kul po zetknięciu? 

Dane: 

R = 3r 

Szukane: 
V' = ? 

Wzory: 

 
Rozwiązanie: 
Skorzystamy tutaj z zasady zachowania ładunku. Otóż ładunek który znajdował się w kuli o 
promieniu r będzie równy ładunkowi, jaki będzie umieszczony w dwóch kulach po 
zetknięciu. 
Przed zetknięciem mamy daną kulę o promieniu r. Jej potencjał wynosi  

 

 
Ze wzoru na potencjał wyprowadzono obok wzór na ładunek. 
Stykamy teraz naszą kulę z nienaładowaną kulą (czyli o potencjale równym zeru) o promieniu 
3r
Powstała różnica potencjałów, zatem układ nie jest w równowadze elektrostatycznej. 
Następuje przemieszczanie się elektronów swobodnych w stronę potencjału wyższego, aż do 
memontu wyrównania się potencjałów obu kul, który oznaczymy przez V'
Ale oczywiście pozostał ten sam ładunek, który znajduje się teraz w dwóch kulach:  
 
 

 

background image

 

28 

 
Porównujemy dwa powyższe wzory na ładunek  

 

 
Równanie to możemy uprościć przez stałą k, promień r oraz wyliczyć szukany potencjał kul 
po zetknięciu  

 

 
Potencjał kul po zetknięciu jest równy 0.25 potencjału naładowanej kuli przed zetknięciem. 

 

 

Pole elektrostatyczne - Zadanie 21 

Treść: 
Kropla wody została naładowana ładunkiem q>0. Jak zmienił się jej potencjał, 
jeżeli wskutek parowania, nie zmieniając ładunku, kropla zmienia swoją objętość 
27 razy?  

Dane: 
q > 0 
27 O' = O (O - objętość) 

Szukane: 
V' = ? 

Wzory: 

 
Rozwiązanie: 
Kropla wody zmienia 27 razy swoją objętość. Objętość kuli zależy od jej promienia, a od tego 
promienia zależy również potencjał (przyjrzyj się wzorom). 
Obliczymy na początku zmianę promienia wskutek zmiany objętości kropli. Kula (kropla) 
miała na początku objętość O, a potem jej objętość miała wartość O'. Z treści zadania wiemy, 
że  

 

 
Na początku duża kropla miała potencjał V  

 

background image

 

29 

 
A teraz część kropli wyparowała; liczymy potencjał  

 

 
Wskutek parowania potencjał kuli zwiększył się 3 razy.  

 
r />