大学物理(第四版)课后习题及答案_电介质

电解质
题8.1：一真空二极管，其主要构件是一个半径R 1 = 5.0⨯10-4 m 的圆柱形阴极和一个套在阴极外，半径m 105.432-⨯=R 的同轴圆筒形阳极。

阳极电势比阴极电势高300 V ，阴极与阳极的长度均为L = 2.5⨯10-2 m 。

假设电子从阴极射出时的速度为零。

求：（1）该电子到达阳极时所具有的动能和速率；（2）电子刚从阳极射出时所受的力。

题8.1分析：（1）由于半径L R <<1，因此可将电极视作无限长圆柱面，阴极和阳极之间的电场具有轴对称性。

从阴极射出的电子在电场力作用下从静止开始加速，电于所获得的动能等于电场力所作的功，也即等于电子势能的减少。

由此，可求得电子到达阳极时的动能和速率。

（2）计算阳极表面附近的电场强度，由E F q =求出电子在阴极表面所受的电场力。

解：（1）电子到达阳极时，势能的减少量为
J 108.417ep -⨯-=-=∆eV E
由于电子的初始速度为零，故 J 108.417ep ek ek -⨯=∆-=∆-E E E
因此电子到达阳极的速率为
17ek
s m 1003.122-⋅⨯===
m
eV
m
E v （2）两极间的电场强度为
r 02e E r πελ
-=
两极间的电势差
1
200ln 2d 2d 2
1
21
R R r r V R R R R πελ
πελ-=-
=⋅=⎰⎰
r E 负号表示阳极电势高于阴极电势。

阴极表面电场强度
r 1
2
1r 1
0ln 2e e E R R R V R =
-
=πελ
电子在阴极表面受力
N e E F r 141037.4-⨯=-=e
这个力尽管很小，但作用在质量为9.11⨯10－
31 kg 的电子上，电子获得的加速度可达重力加
速度的5⨯1015倍。

题8.2：一导体球半径为R 1，外罩一半径为R 2的同心薄导体球壳，外球壳所带总电荷为Q ，而内球的电势为V 0。

求此系统的电势和电场的分布。

题8.2分析：不失一般情况，假设内导体球带电q ，导体达到静电平衡时电荷的分布如图所示，依照电荷的这一分布，利用高斯定理可求得电场分布。

并由⎰∞
⋅=p v l E d P 或电势叠加求
出电势的分布。

最后将电场强度和电势用已知量210R R Q V 、、、
表示。

题8.2解：根据静电平衡时电荷的分布，可知电场分布呈球对称。

取同心球面为高斯面，由高斯定理()∑⎰=⋅=⋅024d επq r r E S E ，根据不同半径的高斯面内的电荷分布，解得各区域
内的电场分布为
时1R r <， ()01=r E
时21R r R <<，()2
024r q r E πε=
时2R r >，()2
024r q
Q r E πε+=
由电场强度与电势的积分关系，可得各相应区域内的电势分布。

r <R 1时，
2
010321144d d d d 2
211R Q
R q V R R R R r r πεπε+
=⋅+⋅+⋅=⋅=⎰⎰⎰⎰∞∞l E l E l E l E 时21R r R <<，2
0032244d d d 2
2R Q r
q V R R r
r πεπε+
=
⋅+⋅=⋅=⎰⎰
⎰∞
∞
l E l E l E
时2R r >，r
q
Q V r
0334d πε+=
⋅=⎰∞
l E 也可以从球面电势的叠加求电势的分布。

在导体球内（r <R 1）
201
0144R Q R q V πεπε+
=
在导体球和球壳之间（R 1<r <R 2）
2
00244R Q r
q V πεπε+
=
在球壳外（r >R 2）
r
q
Q V 034πε+=
由题意
2
01
00144R Q R q V V πεπε+
=
=
得 Q R R V R q 2
1
0104-
=πε 代人电场、电势的分布得
时1R r <，011;0V V E ==
时21R r R <<，()r R Q R r r V R V r R Q
R r V R E 201012
2
201201244πεπε-+=-=； 时2R r >，()()r R Q
R R r V R V r
R Q R R r V R E 20120132
2012201344πεπε-+=-+=
； 题8.3：在一半径为R 1 =6.0 cm 的金属球A 外面套有一个同心的金属球壳B 。

已知球壳B 的内、外半径分别为R 2 =8.0 cm ，R 3 =10.0 cm 。

设球A 带有总电荷C 100.38A -⨯=Q ，球壳B 带有总电荷C 100.28B -⨯=Q 。

（l ）求球壳B 内、外表面上所带的电荷以及球A 和球壳B 的电势；（2）将球壳B 接地然后断开，再把金属球A 接地，求球A 和球壳B 内、外表面上所
带的电荷以及球A 和球壳B 的电势。

题8.3分析：（1）根据静电感应和静电平衡时导体表面电荷分布的规律，电荷Q A 均匀分布在球A 表面，球壳B 内表面带电荷A Q -，外表面带电荷A B Q Q +，电荷在导体表面均匀分布，
由带电球面电势的叠加可求得球A 和球壳B 的电势。

（2）导体接地，表明导体与大地等电势（大地电势通常取为零）。

球壳B 接地后，外表面的电荷从大地流入的负电荷中和，球壳内表面带电A Q -。

断开球壳B 的接地后，再将球A 接地，此时球A 的电势为零。

电势的变化必将引起电荷的重新分布，以保持导体的静电平衡、不失一般性可设此时球A 带电q A ，根据静电平衡时导体上电荷的分布规律，可知球壳B 内表面感应-q A ，外表面带电q A -Q A 。

此时球A 的电势可表示为
3
0A
A 20A 1
0A A 444R Q q R q R q V πεπεπε-+-+
=
由0A =V 可解出球A 所带的电荷A q ，再由带电球面电势的叠加，可求出球A 和球壳B 的电势。

解：（1）由分析可知，球A 的外表面带电C 100.38-⨯，球壳 B 内表面带电C 100.38-⨯-，外表面带电C 100.58-⨯。

由电势的叠加，球A 和球壳B 的电势分别为 V 106.544433
0B
A 20A 1
0A A ⨯=++-+
=
R Q Q R Q R Q V πεπεπε
V 105.4433
0⨯=+=
R Q Q V B
A B πε
（2）将球壳B 接地后断开，再把球A 接地，设球A 带电q A ，球A 和球壳B 的电势为
04443
0A
A 20A 1
0A A =+-+-+
=R q Q R q R q V πεπεπε
3
0A
A B 4R q Q V πε+-=
解得C 1012.283
1322121A -⨯=-+=
R R R R R R Q
R R q
即球A 外表面带电C 1012.28-⨯，由分析可推得球壳B 内表面带电C 1012.28-⨯-，外表面带电C 109.08-⨯-。

另外球A 和球壳B 的电势分别为
0A =V
V 1092.72B ⨯-=V
导体的接地使各导体的电势分布发生变化，打破了原有的静电平衡，导体表面的电荷将重新分布，以建立新的静电平衡。

题8.4：地球和电离层可当作球形电容器，它们之间相距约为100 km ，试估算地球－电离层系统的电容。

设地球与电离层之间为真空。

题8.4解：由于地球半径m 1037.661⨯=R ；电离层半径m 1047.6m 1000.16152⨯=+⨯=R R ，根据球形电容器的电容公式，可得
F 1058.4421
22
10
-⨯=-=R R R R C πε
题8.5：两线输电线，其导线半径为3.26 mm ，两线中心相距0.5 m ，线位于地面上空很高处，因而大地影响可以忽略。

求输电线单位长度的电容 题8.5解：两输电线的电势差
R R d U -=ln 0πελ
因此，输电线单位长度的电容 R
d
R R d U
C ln /ln
/00πεπελ≈-==
代人数据
F 1086.412-⨯=C
题8.6：由两块相距0.50 mm 的薄金属板A 、B 构成的空气平板电容器被屏蔽在一金属盒K
内，金属盒上、下两壁与A 、B 分别相距0.25 mm ，金属板面积为mm 40mm 30⨯求：（1）被屏蔽后电容器的电容变为原来的几倍；（2）若电容器的一个引脚不慎与金属屏蔽金相碰，问此时的电容又为原来的几倍。

题8.6分析：薄金属板A 、B 与金属盒一起构成三个电容器其等效电路图如图所示，由于两导体间距离较小。

电容器可视为平板电容器，通过分析等效电路图可求得A 、B 间的电容。

解：（1）如图，由等效电路可知 13
23
2123C C C C C C C C ++⋅=
+=
由于电容器可视作平板电容器，且32122d d d ==，故1322C C C ==，因此 A 、B 间的
总电容
12C C =
（2）若电容器的一个引脚与屏蔽盒相碰，相当于2C （或者3C ）极板短接，其电容为零，则总电容 13C C ='
题8.7：在A 点和B 点之间有5个电容器，其连接如图所示。

（1）求A 、B 两点之间的等效电容；（2）若A 、B 之间的电势差为12 V ，求U AC 、U CD 和U DB 。

题8.7解：（1）由电容器的串、并联，有
μF 1221AC =+=C C C μF 843CD =+=C C C
求得等效电容μF 4AB =C
（2）由于AB DB CD AC Q Q Q Q ===，得
V 4AB AC
AB
AC ==U C C U V 6AB CD
AB
CD ==U C C U V 2C C AB CD
AB
DB ==
U U 题8.8：盖革—米勒管可用来测量电离辐射。

该管的基本结构如图所示，一半径为R 1的长直导线作为一个电极，半径为R 2的同轴圆柱筒为另一个电极。

它们之间充以相对电容率1r ≈ε的气体。

当电离粒子通过气体时，能使其电离。

若两极间有电势差时，极板间有电流，从而可测出电离粒子的数量。

如以E 1表示半径为R 1的长直导线附近的电场强度。

（1）求极板间电势的关系式；（2）若m m 0.20,m m 30.0,m V 100.221161==⋅⨯=-R R E ，两极板间的电势差为多少？
题8.8解：（1）由上述分析，利用高斯定理可得L rL E λεπ0
1
2=⋅，
则两极板间的电场强度
r E 02πελ=
导线表面（r = R 1）的电场强度
1012R E πελ
=
两极板间的电势差
1
2110ln d 2d 21
21
R R E R r r U R R R R ==⋅=⎰
⎰
πελ
r E （2）当m m 0.20,m m 30.0,m V 100.221161==⋅⨯=-R R E 时，
V 1052.23⨯=U
题8.9：一片二氧化钛晶片，其面积为1.0 cm 2，厚度为0.10 mm 。

把平行平板电容器的两
级板紧贴在晶片两侧。

（1）求电容器的电容；（2）当在电容器的两板上加上12 V 电压时，极板上的电荷为多少时，极板上的电荷为多少？此时自由电荷和极化电荷的面密度各为多少？（3）求电容器内的电场强度. 题8.9解：（1）查表可知二氧化钛的相对电容率173r =ε，故充满此介质的平板电容器的电容
F 1053.190r -⨯==
d
S
C εε
（2）电容器加上V 12=U 的电压时，极板上的电荷
C 1084.18-⨯==CU Q
极板上自由电荷面密度为
240m C 1084.1--⋅⨯==
S
Q
σ 晶片表面极化电荷密度
2
400
m C 1083.111--⋅⨯=⎪⎪⎭
⎫
⎝
⎛-='σεσr
（3）晶片内的电场强度为 15m V 102.1-⋅⨯==
d
U
E 题8.10：如图所示，半径R = 0.10 m 的导体球带有电荷C 100.18-⨯=Q ，导体外有两层均匀介质，一层介质的0.5r =ε，厚度m 10.0=d ，另一层介质为空气，充满其余空间。

求：（1）离球心为r = 5 cm 、15 cm 、25 cm 处的 D 和E ；（2）离球心为r = 5 cm 、15 cm 、25 cm 处的 V ；（3）极化电荷面密度σ'。

题8.10分析：带电球上的自由电荷均匀分布在导体球表面，电介质的极化电荷也均匀分布在介质的球形界面上，因而介质中的电场是球对称分布的
任取同心球面为高斯面，电位移矢量D 的通量只与自由电荷分布有关，因此在高斯面D 上呈均匀对称分布，由高斯定理∑⎰=⋅0d q S D 可得()r D 再由r εε0D E =可得()r E 。

介质内电势的分布，可由电势和电场强度的积分关系⎰∞
⋅=r V l E d 求得，或者由电势叠加原理求得。

极化电荷分布在均匀介质的表面，其极化电荷体面密度n P ='σ。

解：（1）取半径为r 的同心球面为高斯面，由高斯定理得
0421=⋅<r D R
r π 0011==E D ；
Q r D d R r R =⋅+<<224π， 2
r 02
2244r Q
E r Q D επεπ==
； Q r D d R r =⋅+>234π， 2
03
2344r Q
E r Q D πεπ==
； 将不同的r 值代人上述两式，可得r = 5 cm 、15 cm 和25 cm 时的电位移和电场强度的大小，其方向均沿径向朝外。

r 1 = 5 cm ，该点在导体球内，则
0011r r ==E D ；
r 2 = 15 cm ，该点在介质层内，0.5r =ε，则
1
32
r 0r 2
822
r m V 100.84m C 105.3422---⋅⨯==
⋅⨯==r Q E r
Q D επεπε
r 3 = 25 cm ，该点在空气层内，空气中0εε≈，则 1
320r32
823
0r3m V 104.14m C 103.14---⋅⨯==
⋅⨯==r
Q E r Q D πεπε
（2）取无穷远处电势为零，由电势与电场强度的积分关系得
V 3604d ,cm 25203331
==⋅==⎰∞r Q
V r r πεr E ()()
V 480444d d ,cm 150r 02r 032222
=+++-=⋅+⋅==⎰
⎰
∞++d R Q
d R Q r Q
V r d
R d R r πεεπεεπεr
E r E
()()
V 540444d d ,cm 50r 0r 03211=+++-=⋅+⋅==⎰
⎰
∞++d R Q
d R Q
R Q
V r d
R d R R
πεεπεεπεr
E r E （3）均匀介质的极化电荷分布在介质界面上，因空气的电容率0εε=，极化电荷可忽略。

故在介质外表面；()()()2
r r n 0r n 411d R Q E P +-=-=πεεεε
()()
282
r r n m C 106.141--⋅⨯=+-=
=d R Q
P πεεσ
在介质内表面：()()2
r r n 0r n 411R Q
E P πεεεε-=-=
()2
82
r r n m C 104.641--⋅⨯-=--
=-='R Q P πεεσ
介质球壳内、外表面的极化电荷面密度虽然不同，但是两表面极化电荷的总量还是等量异号。

题8.11：一平板电容充电后极板上电荷面密度为230m C 105.4--⋅⨯=σ。

现将两极板与电源断开，然后再把相对电容率为0.2r =ε的电介质插人两极板之间。

此时电介质中的D 、E 和P 各为多少？
题8.11解：介质中的电位移矢量的大小 250m C 105.4--⋅⨯==∆=
σS
Q
D 介质中的电场强度和极化强度的大小分别为
16r
0m V 105.2-⋅⨯==εεQ E
250m C 103.2--⋅⨯=-=E D P ε
D 、P 、
E 方向相同，均由正极板指向负极板（图中垂直向下）。

题8.12：在一半径为R 1的长直导线外，套有氯丁橡胶绝缘护套，护套外半径为2R ，相对电容率为r ε。

设沿轴线单位长度上，导线的电荷密度为λ。

试求介质层内的D 、E 和P 。

题8.12解：由介质中的高斯定理，有
L rL D λπ=⋅=⋅⎰2d S D
得r 2e D r
πλ=
在均匀各向同性介质中
r r 0r 02e D E r
επελεε==
r r 021
1e E D P r πλε
ε⎪⎪⎭
⎫ ⎝
⎛-=-= 题8.13：设有两个薄导体同心球壳A 与B ，它们的半径分别为R 1 = 10 cm 与R 3 = 20 cm ，并分别带有电荷C 100.48-⨯-与C 100.17-⨯。

球壳间有两层介质内层介质的0.4r1=ε，外层介质的0.2r2=ε，其分界面的半径为R 2 = 15 cm 。

球壳B 外为空气。

求（1）两球间的电势差U AB ；（2）离球心30 cm 处的电场强度；（3）球A 的电势。

题8.13分析：自由电荷和极化电荷均匀分布在球面上。

电场呈球对称分布。

取同心球面为高斯面，根据介质中的高斯定理可求得介质中的电场分布。

由电势差和电场强度的积分关系可求得两导体球壳间的电势差，由于电荷分布在有限空间，通常取无穷远处为零电势，则A 球壳的电势 ⎰∞
⋅=A V l E d A
解：（1）由介质中的高斯定理，有
12
4d Q r
D =⋅=⋅⎰πS D
得 r r Q e D D 2
1
214π=
= 21r 2
r101
r1
01
14R r R r Q <<==e D E επεεε 32r
2
r201r2
02
24R r R r Q <<=
=
e D E επεεε
两球壳间的电势差
⎪
⎪⎭⎫
⎝⎛-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⋅+⋅=⋅=⎰
⎰⎰
32
r2
0121r101
21AB 114114d d d 32
2
1
31
R R Q R R Q U R R R R R R επεεπεl
E l E l E （2）同理由高斯定理可得
1r 3r 2
0213m V 100.64-⋅⨯=+=
e e E r
Q Q πε
（3）取无穷远处电势为零，则
V 101.24d 3r1
02
1AB 3AB A ⨯=++
=⋅+=⎰∞
επεQ Q U U V B
l E
题8.14：如图所示，球形电极浮在相对电容率为0.3r =ε的油槽中。

球的一半浸没在油中，另一半浸入在油中，另一半在空气中。

已知电极所带净电荷C 100.260-⨯=Q 。

问球的上、下部分各有多少电荷？
题8.14分析：我们可以将导体球理解为两个分别悬浮在油和空气中的半球形孤立容器，静电平衡时导体球上的电荷分布使导体成为等势体，故可将导体球等效为两个半球电容并联，其相对无限远处的电势均为V ，且
2211C Q
C Q V ==（1）
另外导体球上的电荷总量保持不变，应有
021Q Q Q =+ （2）
因而可解得Q 1、Q 2.
解：将导体球看作两个分别悬浮在油和空气中的半球形孤立电容器，上 半球在空气中，电容为
R C 012πε=
下半球在油中，电容为 R C r 022επε=
由分析中式（1）和式（2）可解得
C 1050.011
60r 02111-⨯=+=+=Q Q C C C Q ε
C 105.11
60r r
02122-⨯=+=+=
Q Q C C C Q εε
由于导体球周围部分区域充满介质，球上电荷均匀分布的状态将改变。

可以证明，此时介质中的电场强度与真空中的电场强度也不再满足r
εE E =
的关系。

事实上，只有当电介质均匀
充满整个电场，并且自由电荷分布不变时，才满足r
εE E =
.
题8.15：有一个空气平极电容器，极板面积为S ，间距为d 。

现将该电容器接在端电压为U 的电源上充电，当（1）充足电后；（2）然后平行插入一面积相同、厚度为()d <δδ、相对电容率为r ε的电介质板；（3）将上述电介质换为同样大小的导体板。

分别求电容器的电容C ，极板上的电荷Q 和极板间的电场强度E 。

题8.15分析：电源对电容器充电，电容器极板间的电势差等于电源端电压U 。

插入电介质后，由于介质界面出现极化电荷，极化电荷在介质中激发的电场与原电容器极板上自由电荷激发的电场方向相反，介质内的电场减弱。

由于极板间的距离d 不变，因而与电源相接的导体极板将会从电源获得电荷，以维持电势差不变，并有
()δεεδεS Q d S Q
U r 00+-=
相类似的原因，在平板电容器极板之间，若平行地插入一块导体板，由于极板上的自由
电荷和插人导体板上的感应电荷在导体板内激发的电场相互抵消，与电源相接的导体极板将会从电源获得电荷，使间隙中的电场E 增强，以维持两极板间的电势差不变，并有
()δε-=d S Q
U 0
综上所述，接上电源的平板电容器，插人介质或导体后，极板上的自由电荷均会增加，而电势差保持不变。

解：（l ）空气平板电容器的电容
d
S C 00ε=
充电后，极板上的电荷和极板间的电场强度为 U d
S Q 00ε=
d
U
E =
0 （2）插入电介质后，电容器的电容C 1为
()()δεδεεδεεδε-+=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛+-=d S S Q
d S Q Q C r r 0r 001/ 故有
()
δεδεε-+=
=d SU U C Q r r 011
介质内电场强度
()
δεδεε-+=
=
'd U
S
Q E r r 01
1
空气中的电场强度
()
δεδεε-+==d U S Q E r r 011
（3）插人导体达到静电平衡后，导体为等势体，其电容和极板上的电荷分别为 δ
ε-=d S
C 02 U d S
Q δ
ε-=
02 导体中的电场强度00='E 空气中的电场强度δ
-=
d U
E 2 题8.16：如图所示，在平板电容器中填入两种介质，每种介质各占一半体积，试证其电容为 2
210r r d
S C εεε+=
题8.16证1：将此电容器视为极板面积均为2S ，分别充满相对电容率为r1ε和r2ε的电介质的两个平板电容器并联，则 2
22r2
r10r201r 021εεεεεεε+=
+
=
+=d
S d
S
d
S
C C C
证2：假设电容器极板上带电荷 Q ，则由于电容器两侧所填充的电介质的电容率不同，故导体极板上自由电荷的分布不均匀。

设介质Ⅰ侧导体极板带电荷Q 1，介质Ⅱ侧导体极板带电
荷Q 2，在导体达到静电平衡时，导体极板为等势体，
故有
⎪⎩⎪⎨⎧=+=Q Q Q S d Q S d Q 21
r202r10122εεεε 解得Q Q r2r11r 1εεε+= Q Q r21r r22εεε+= r2
1r 0r10122εεεεε+==Q S d S d Q U 2
210r r d S U Q C εεε+⋅==
题8.17：为了实时检测纺织品、纸张等材料的厚度（待测材料可视作相对电容率为r ε的电
介质），通常在生产流水线上设置如图所示的传感装置，其中A 、B 为平板电容器的导体极板，d 0为两极板间的距离。

试说明检测原理，并推出直接测量电容C 与间接测量厚度d 之间的函数关系。

如果要检测钢板等金属材料的厚度，结果又将如何？
题8.17解：由分析可知，该装置的电容为
()
d d d S C -+=0r r 0εεε 则介质的厚度为
()()C S d C S C d d 11
1r r 00r r r r 00r ---=--=εεεεεεεεε 如果待测材料是金属导体，其等效电容为
d
d S C -=00ε 导体材料的厚度
C S d d 00ε-=
实时地测量A 、B 间的电容量C ，根据上述关系式就可以间接地测出材料的厚度、通常智能化的仪表可以实时地显示出待测材料的厚度。

题8.18：利用电容传感器测量油料液面高度。

其原理如图所示，导体圆管A 与储油随B 相连，圆管的内径为D ，管中心同轴插入一根外径为d 的导体棒C ，d 、D 均远小于管长L 并且相互绝缘。

试征明：当导体团管与导体棒之间接以电压为U 的电源时，圆管上的电荷与液面高度成正比（油料的相对电容率为r ε）。

题8.18分析：由于d 、D <<L ，导体A 、C 构成圆柱形电容器，可视为一个长X （X 为液面高度）的介质电容器C 1和一个长L -X 的空气电容器C 2的并联，它们的电容值均随X 而改变。

因此其等效电容C = C 1+C 2也是X 的函数。

由于Q = CU ，在电压一定时，电荷Q 仅随C 而变化，求出Q 与液面高度 X 的函数关系，即可得证
证：由分析知，导体A 、C 构成一组柱形电容器，它们的电容分别为
d
D X C ln 2r 01επε= ()d D X L C ln 202-=
πε 其总电容
()X d
D X L d D X C C C βαπεεπε+=-+=+=ln 2ln 20r 021 其中()d
D d D L ln 12;ln 2r 00-==επεβπεα UX U CU Q βα+==
即导体管上所带电荷Q 与液面高度X 成正比，油罐与电容器联通。

两液面等高，测出电荷Q 即可确定油罐的液面高度。

题8.19：有一平行平板电容器，两极板间被厚度为0.01 nm 的聚四氯乙烯薄膜所隔开，求该电容器的额定电压。

题8.19解：查表可知聚四氯乙烯的击穿电场强度E b = 1.9⨯107 V ⋅m －1。

当电容器不被击穿时，
电容器中的电场强度b E E ≤。

因此，由均匀电场中电势与电场强度的关系，可得电容器上最
大电势差（即额定电压）为
V 190b max ==d E U
题8.20：空气中半径分别为1.0 cm 和0.10 cm 的长直导线上，导体表面电荷面密度最大为多少？
题8.20解：设长直导线上单位长度所带电荷为λ，则导线周围的电场强度为
02εσεπλ==r E 式中导体表面电荷面密度r
πλσ2=。

显然，在导线表面附近电场强度最大，查表可知空气的击穿电场强度E b = 3.0⨯106 V ⋅m －1，只有b E E ≤，空气才不会被击穿，故σ的极限值 250m C 1066.2--⋅⨯==b m E εσ
显然，它与导线半径无关。

题8.21：一空气平板电容器，空气层厚 1.5 cm ，两极间电压为40 kV ，该电容器会被击穿吗？现将一厚度为0.30 cm 的玻璃板插入此电容器，并与两极平行，若该玻璃的相对电容率为 7.0，击穿电场强度为10 MV ⋅m -1。

则此时电容器会被击穿吗？
题8.21解：未插入玻璃时，电容器内的电场强度为
16m V 107.2-⋅⨯==d U E
因空气的击穿电场强度E b = 3.0⨯106 V ⋅m －
1，b E E <故电容器不会被击穿 插人玻璃后，由习题8.15可知，空气间隙中的电场强度
()16r r m V 102.3-⋅⨯=+-=δ
δεεd V E 此时，因b E E >，空气层被击穿。

击穿后40 kV 电压全部加在玻璃板两侧，此时玻璃板内的
电场强度
17m V 103.1-⋅⨯==δ
V
E
由于玻璃的击穿电场强度E 'b = 10 MV ⋅m -1，故b
E E '>，玻璃也将相继被击穿，电容器完全被击穿。

题8.22：某介质的相对电容率8.2r =ε，击穿电场强度为18⨯106 V ⋅m －1，如果用它来作平板
电容器的电介质，要制作电容为0.047 μF ，而耐压为4.0 kV 的电容器，它的极板面积至少要多大。

题8.22解：介质内电场强度
16b m V 1018-⋅⨯=≤E E 电容耐压U m = 4.0 kV ，因而电容器极板间最小距离
m 1022.24b m -⨯==E U d
要制作电容为0.047 μF 的平板电容器，其极板面积
2r
0m 42.0==εεCd S 显然，这么大的面积平铺开来所占据的空间太大了，通常将平板电容器卷叠成筒状后再封装。

题8.23：一平行板空气电容器，极板面积为S ，极板间距为d ，充电至带电Q 后与电源断开，然后用外力缓缓地把两极板间距拉开到2d 。

求：（1）电容器能量的改变；（2）此过程中外力所作的功，并讨论此过程中的功能转换关系。

题8.23解：（1）极板间的电场为均匀场，且电场强度保持不变，因此，电场的能量密度为
2
02
20e 221S Q E w εε== 在外力作用下极板间距从d 被拉开到2d 。

电场占有空间的体积，也由V 增加到2V ，此时电场能量增加。

S
d Q V w W 02
e e 2ε=∆=∆ （2）两导体极板带等量异号电荷，外力F 将其缓缓拉开时，应有F = -F
则外力所作的功为
S
d Q QEd A 02
e 2ε==∆⋅-=r F 外力克服静电引力所作的功等于静电场能量的增加。