Mathematical and Physical Journal
for High Schools
Issued by the MATFUND Foundation
Already signed up?
New to KöMaL?

Problem P. 5381. (January 2022)

P. 5381. An (insulating) glass container is filled with mercury. A vertical capillary tube of diameter \(\displaystyle d=0.5\) mm is immersed in the mercury as shown in the figure. Above the surface of the mercury at a height of \(\displaystyle h=6\) mm, a large, horizontal metal sheet is placed. How much does the mercury level in the capillary tube change if a DC voltage source of \(\displaystyle U=20\) kV is connected across the mercury and the metal sheet?

(6 pont)

Deadline expired on February 18, 2022.


Sorry, the solution is available only in Hungarian. Google translation

Megoldás. A higany felszíne felett a bekapcsolt egyenfeszültség miatt

\(\displaystyle E=\frac{U}{h}\)

erősségű elektromos tér alakul ki. A kapilláris belsejében – mint egy majdnem zárt Faraday-kalickában – jó közelítéssel nulla az elektromos térerősség. (Ez abból is következik, hogy a kapilláris cső közvetlen közelében a higany ekvipotenciális, tehát a térerősség ott nulla, és ez a vékony cső belsejében sem tud megváltozni, hiszen az elektrosztatikus mező forrásmentes és örvénymentes.)

Az elektromos tér hatására a higany felületén elektromos töltések jelennek meg, melyek felületi sűrűsége a Gauss-féle fluxustörvény szerint

\(\displaystyle \sigma=\varepsilon_0 E.\)

Az elektromos mező ezekre a felületi töltésekre felületegységenként

\(\displaystyle p=\frac{1}{2}\sigma E=\frac{1}{2}\varepsilon_0 E^2=\frac{1}{2}\varepsilon_0 \left(\frac{U}{h}\right)^2\)

húzóerőt fejt ki, annak iránya nem függ a feszültségforrás polaritásától. (Az 1/2-es faktor onnan származik, hogy a higany felett \(\displaystyle E\) erősségű az elektromos tér, a higanyban nulla, átlagosan tehát \(\displaystyle \tfrac12 E\) térerősség hat a felületi töltésekre.)

Az elektromos húzóerő hatására a higanyban mindenhol, így a kapilláris alsó végével megegyező mélységben is lecsökken a nyomás \(\displaystyle p\) értékkel. A kapillárisban (amelyben lévő higanyra nem hat elektromos húzóerő) akkor csökken a nyomás ugyanennyivel, ha a csőben a higanyszint valamekkora \(\displaystyle y\) értékkel mélyebbre süllyed, és

\(\displaystyle \varrho g y=\frac{1}{2}\varepsilon_0 \left(\frac{U}{h}\right)^2.\)

Innen

\(\displaystyle y=\varepsilon_0\frac{U^2}{2\varrho gh^2}=0{,}36~\rm mm.\)

Látható, hogy az eredmény (a süllyedés mértéke) nem függ sem a kapilláris átmérőjétől, sem a feszültség előjelétől, de még a higany felületi feszültsége és az illeszkedési szöge sem játszik szerepet.


Statistics:

10 students sent a solution.
6 points:Gábriel Tamás, Hauber Henrik, Kürti Gergely, Nemeskéri Dániel, Téglás Panna.
5 points:Schmercz Blanka.
2 points:1 student.
1 point:3 students.

Problems in Physics of KöMaL, January 2022