К воздушному конденсатору , заряженному до напряжения U1 = 210В и отключенному от источника, присоединили параллельно такой же незаряженный конденсатор с диэлектриком из стекла. Напряжение на зажимах батареи конденсаторов уменьшилось до U2 = 30В . Найдите диэлектрическую проницаемость ε стекла.
Для решения данной задачи воспользуемся формулой для связи напряжения на конденсаторе с его зарядом и диэлектрической проницаемостью:
C = Q/U
где C - ёмкость конденсатора, Q - его заряд, U - напряжение на конденсаторе.
После параллельного соединения конденсаторов ёмкость системы конденсаторов будет равна сумме их ёмкостей:
C = C1 + C2
Также заряды на конденсаторах после соединения будут равны:
Q1 = Q2 = Q
Тогда при исходном напряжении U1 = 210 В имели:
C1 = Q/U1
При новом напряжении U2 = 30 В имеем:
C2 = Q/U2
Подставляя в формулу для ёмкости и аналогично для второго конденсатора:
Q = C1 U1 = C2 U2
Q = (Q/U1) U1 = (Q/U2) U2
Следовательно,
C1 U1 = C2 U2
Q/U1 U1 = Q/U2 U2
Q = Q
Подставим значения:
(Q/U1) U1 = (Q/U2) U2
(Q/210) 210 = (Q/30) 30
Q = Q
Таким образом, диэлектрическая проницаемость стекла будет равна:
ε = C2 d / (S ε0)
где d - расстояние между обкладками конденсатора, S - площадь обкладок, ε0 = 8,85*10^-12 Ф/м - диэлектрическая постоянная.
Учитывая, что после соединения конденсатора ёмкости конденсаторов суммируются:
C = C1 + C2 = Q/U1 + Q/U2 = Q * (1/U1 + 1/U2)
Таким образом, получаем:
ε = (Q (1/U1 + 1/U2) d) / S * ε0
Подставляем значения и получаем итоговый результат.