Задание 4D626E: Электродинамика

1. Система отсчёта связана с пластинами, Oy направим вверх. По оригиналу верхняя пластина положительная, нижняя отрицательная. Электрическое поле направлено вниз. На шарик действуют тяжесть mg вниз, электрическая сила qE и, пока он касается пластины, её нормальная реакция N. У нижней пластины шарик получает отрицательный заряд; электрическая сила на него направлена вверх.
2. Пока шарик покоится на нижней пластине, второй закон Ньютона имеет вид
N + |q|E − mg = 0.
Реакция N не может быть отрицательной. При достаточно большом напряжении сила |q|E достигает mg, реакция обращается в нуль; при |q|E > mg удержать шарик на нижней опоре невозможно. Он отрывается и ускоряется вверх. В свободном полёте после отрыва
ma_y = |q|E − mg > 0.
Именно достаточно высокое напряжение согласуется с наблюдаемым в условии началом движения.
3. Долетев до верхней положительной пластины, шарик теряет электроны и становится положительным. Электрическая сила теперь направлена вниз, как и тяжесть. Подстановка нового знака заряда в проекцию второго закона Ньютона даёт
ma_y = −|q|E − mg < 0.
Шарик движется вниз, касается отрицательной пластины, снова получает отрицательный заряд, и процесс повторяется. Модуль заряда после разных касаний заранее не требуется считать одинаковым.
4. Проверка. Если напряжение слишком мало и |q|E < mg, реакция нижней пластины положительна, шарик не взлетит. Поэтому многократные переходы возможны именно в указанном высоковольтном режиме. Энергию механического движения поставляет выпрямитель, поддерживающий поле при переносе заряда. Колебания сопровождаются ударами и перезарядкой; закон сохранения энергии не нарушается.

Ответ: шарик будет перемещаться вверх и вниз между пластинами с перезарядкой при касаниях.