Kvíkovi pri hre s jeho obľúbenými geomagovými guličkami prišla na um nasledujúca myšlienka – čo keby vo vákuu rozostavil šesť nábojov do tvaru pravidelného šesťuholníka tak, že sa kladný náboj $q$ a záporný náboj $-q$ striedajú. Akými smermi by sa tieto náboje začali pohybovať, ak predpokladáme, že v čase $t = 0$ každý z nich nehybne stál na svojom mieste?

Vieme, že náboje s rovnakými znamienkami sa odpudzujú a náboje s opačnými znamienkami sa priťahujú. Poďme sa teda pozrieť, ako ďaleko by sme zašli len s touto informáciou. V prvom rade si môžeme všimnúť symetriu celého problému. Všetky náboje sú rozmiestnené symetricky do tvaru šesťuholníka a veľkosť ich nábojov je stále rovnaká, mení sa len ich znamienko. Ak sa budeme na situáciu pozerať z pohľadu jedného náboja a potom z pohľadu jeho suseda, musí pre každý z nich nastať rovnaká situácia. Každý náboj má po stranách dva príťažlivé náboje, potom dva odpudivé, a oproti jeden príťažlivý. Takže tá istá symetria bude aj v ich pohybe.
Pozrime sa ďalej, ako sú náboje rozmiestnené. Ak priložíme ku kladnému náboju kladný, odpudia sa a začnú sa pohybovať po priamke na ich spojnici. Sila potom pôsobí vždy smerom rovnobežným so spojnicou dvoch nábojov. V našom hexagóne sa teda zložky síl v smere kolmom na os symetrie prechádzajúcu cez náboj musia vykompenzovať. Výsledkom teda bude, že jediná možnosť je pohyb nábojov v smere do stredu hexagónu alebo od neho.
Aby sme vedeli zodpovedať túto otázku, musíme poznať správanie elektrostatickej sily. V našom prípade vyplýva z Coulombovho zákona $$ F = \frac{-Q_1Q_2}{4\pi\epsilon_0 r^2}, $$ ktorý tvrdí, že sila závisí od vzdialenosti nepriamo úmerne druhej mocnine vzdialenosti a priamo úmerne veľkosti nábojov. Platí teda $$ F \propto \frac{Q_1Q_2}{r^2}. $$
Takýto príspevok sily môžeme vektorovo sčítať od každého z nábojov a získame výslednú silu, ktorá pôsobí na skúmaný náboj. Označme zápornú silu ako príťažlivú a dĺžku strany hexagónu $a$. V našom prípade, ako sme už spomínali, bude jediná nenulová zložka pôsobiť pozdĺž osi symetrie. Jednotlivé vzdialenosti si teda vieme vypočítať z výšky trojuholníka, prípadne uhlov. Pre výslednú silu dostávame $$ \begin{aligned} F_{\mathrm{os}} &\propto 2 \frac{-Q^2}{a^2} \cos\ang{60} + 2\frac{Q^2}{3a^2}\cos\ang{30} + \frac{-Q^2}{4a^2}, \ F_{\mathrm{os}} &\propto \frac{-Q^2}{a^2}+\frac{Q^2}{3a^2}\sqrt{3}+\frac{-Q^2}{4a^2}, \ F_{\mathrm{os}} &\propto \frac{Q^2}{a^2}\left(-1+\frac{\sqrt{3}}{3}-\frac{1}{4}\right) < 0. \ \end{aligned} $$
Aha, dostávame pre výslednú silu zápornú hodnotu. Teda príťažlivá sila bude pôsobiť do stredu hexagónu, čím sa k sebe náboje pritiahnu, ale nezmenia formáciu.
Fyzikálny korešpondenčný seminár zastrešuje občianske združenie Trojsten.
Trojsten, o.z.
FMFI UK, Mlynská dolina
842 48 Bratislava
Kategória pre makačov
Tímová fyzikálna súťaž pre stredoškolákov
Intenzívny fyzikálny zážitok v lete