2-练习册-第六章 静电场中的导体与电介质

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8.在一点电荷的静电场中,一块电介质如图6.7所示,以点电荷所在处为球心,作一球形闭合面,则对此球形闭合面:
(A)高斯定理成立,且可用它求出闭合面上各点的场强。
(B)高斯定理成立,但不能用它求出闭合面上各点的场强。
(C)由于电介质不对称分布,高斯定理不成立。
(D)即使电介质对称分布,高斯定理也不成立。
(A)3.6102m .(B)6.0106m .(C)3.6105m .(D)6.0103m .
2.两个半径相同的金属球,一为空心,一为实心,把两者各自孤立时的电容值加以比较,则:
(A)空心球电容值大.(B)实心球电容值大.
(C)两球电容值相等.(D)大小关系无法确定.
3.C1和C2两个电容器,其上分别标明200pF(电容量)、500V(耐压值)和300pF、900V.把它们串联起来在两端加上1000V电压,则
(A)两者都被击穿.(B)两者都不被击穿.
(C)C2被击穿,C1不被击穿.(D)C1被击穿,C2不被击穿.
4.如图6.14,将一空气平行板电容器接到电源上充电到一定电压后,断开电源。再将一块与极板面积相同的金属板平行地插入两极板之间,则由于金属板的插入及其所放位置的不同,对电容器储能的影响为:
(A)储能减少,但与金属板位置无关;
【解】:(1)保持极板电量不变时
抽出电介质前:
抽出电介质后:
外力作功:
(2)保持极间电压不变时
抽出电介质前:
抽出电介质后:
电容器储能的改变量:
电介质抽出后,极板电量改变:
电源作功:
由能量守恒定律:
1.一孤立金属球,带有电量1.2108C,当电场强度的大小为3106V/m时,空气将被击穿.若要空气不被击穿,则金属球的半径至少大于
3、柱形电容器的电容
五、电场的能量
1、电容器的储能
2、电场的能量、能量密度
电场的能量密度: 电场的能量:
【例6-3】平行板电容器(极板面积为 ,间距为 )中间有两层厚度各为 和 的均匀介质,介电常数分别为 和 ,如图6.12。试求其电容。
【解】本题可用两种方法求解
法一;按定义
设极板带自由电荷 ,由介质中的高斯定理,介质内的电位移大小 ,方向垂直于极板,则介质 和 中的场强分别为 和 ,方向垂直于极板,极板间的电势差为
3.在相对电容率为er= 4的各向同性均匀电介质中,与电能密度we= 2106J/cm3相应的电场强度的大小E=.
4.一平行板电容器两极板间电压为U,其间充满相对电容率为er的各向同性均匀电介质,电介质厚度为d.则电介质中的电场能量密度w=.
5.电容器1和2串联后充电。(1)保持连接电源,在电容器1中充满电介质,则电容器2上的电势差将;电容器2上电量将。(2)断开电源后,仍在电容器1中充满电介质,电容器1极板间的电势差将;电容器2极板上的电量将(填增加、减少、不变)。
【解】以半径为r的球面为高斯面,则:
当r>R时:
当r<R时:
电场能量密度:
当r<R时: 当r>R时:
电场能量
【例6-5】如图6.13所示平行板电容器,已知极板面积为 ,极板间距为 ,其间充满介电常数为 的电解质。(1)若保持极板间电量 不变;(2)若保持极板电压 不变,把电介质从电容器中全部抽出,外力作功各为多少?
按定义
法二:按电容器的连接
将整个电容器看成两个充满介质 和 的电容器的串联,两个电容器的电容分别为

由串联公式
可求得上面答案。
按定义求电容的方法:(1)设两极板分别带电+q、-q,(2)求两极间的电场,(3)求两极间的电势差,(4)求电容。
【例6-4】求半径为R。、体电荷密度为ρ的均匀带电球体的静电能。
2、电介质中的电场
(1)电位移矢量
其中 ——电介质的介电常数, , ——电介质的相对介电常数。
(2)有电介质时的高斯定理 ,式中 指高斯面内自由电荷代数和。
【例6-1】三个平行金属板A、B和C,面积都是200cm2,A、B相距4.0mm,A、C相距2.0mm,B、C两板都接地,如图所示。如果使A板带正电3.0×10-7C,略去边缘效应。
二、电介质与电场
1、电介质的极化
(1)电介质的极化:在外电场作用下,电介质表面和内部出现束缚电荷的现象。
(2)极化的微观机制
电介质的分类:(1)无极分子电介质——分子的正、负电荷中心重合的电介质;(2)有极分子电介质——分子的正、负电荷中心不重合的电介质。
极化的微观机制:在外电场作用下,(1)无极分子正、负电荷中心发生相对位移,形成电偶极子,产生位移极化;(2)有极分子因有电偶矩沿外电场取向,形成取向极化。

一、导体周围的电场
导体的电结构:导体内部存在可以自由移动的电荷,即自由电子。
静电平衡状态:导体表面和内部没有电荷定向移动的状态。
1、导体的静电平衡条件
(1)导体内部场强处处为零 ;
(2)导体表面的场强和导体表面垂直。
2、静电平衡推论
(1)静电平衡时,导体内部(宏观体积元内)无净电荷存在;
(2)静电平衡时,导体是一个等势体,其表面是一个等势面。
1.在靠近地面处场强垂直于地面向下,大小为100 ;在离地面1.5 高处,场强垂直于地面向下,大小为25 。求从地面到此高度大气中电荷平均体密度;假设地面处场强完全由均匀分布在地表面的电荷产生,求地表面上电荷面密度。提示:将地球表面视为大导体平面。
*2.两平行放置的大导体平板(面积均为 )分别带电 和 ,如图6.9。(1)求 、 、 、 四表面的电荷面密度。(2)如将右板接地,求 、 、 、 四表面的电荷面密度。
3.处于静电平衡下的导体(填是或不是)等势体,导体表面(填是或不是)等势面,导体表面附近的电场线与导体表面相互,导体体内的电势(填大于,等于或小于)导体表面的电势.
4.分子中正负电荷的中心重合的分子称分子,正负电荷的中心不重合的分子称分子.
5.分子的正负电荷中心重合的电介质叫做电介质,在外电场的作用下,分子的正负电荷中心发生相对位移,形成。
5.如图6.11所示,面积均为S=0.1m2的两金属平板A,B平行对称放置,间距为d=1mm,今给A,B两板分别带电Q1=3.54×10-9C,Q2=1.77×10-9C.忽略边缘效应,求(1)两板共四个表面的面电荷密度1,2,3,4;(2)两板间的电势差UA-UB.
一、孤立导体的电容:表征导体容电能力的物理量。
3、静电平衡时导体表面外侧附近的场强
4、静电平衡时导体上的电荷分布
(1)实心导体:电荷只分布在导体表面。
(2)空腔导体(腔内无电荷):内表面不带电,电荷只分布在导体外表面。
(3)空腔导体(腔内电荷代数和为 ):内表面带电 ,导体外表面的电荷由电荷的守恒定律决定。
5、静电屏蔽
封闭金属壳可屏蔽外电场对内部影响,接地的金属壳可屏蔽内电场对外部的影响。
(A)F/q0比P点处场强的数值小.
(B)F/q0比P点处场强的数值大.
(C)F/q0与P点处场强的数值相等.
(D)F/q0与P点处场强的数值关系无法确定.
7.一导体球外充满相对电容率为r的均匀电介质,若测得导体表面附近场强为E,则导体球面上的自由电荷面密度为:
(A)0E.(B)0rE.
(C)rE.(D)(0r0)E.
(A) 0(B)
(C) (D)
(E)
5.半径分别为R和r的两个金属球,相距很远.用一根长导线将两球连接,并使它们带电.在忽略导线影响的情况下,两球表面的电荷面密度之比R/r为:
(A)R/r.(B)R2/r2.
(C)r2/R2.(D)r/R.
6.欲测带正电荷大导体附近P点处的电场强度,将一带电量为q0(q0>0)的点电荷放在P点,如图6.6所示.测得它所受的电场力为F.若电量不是足够小.则
6.如图6.16所示,两空气平行板电容器1和2,并联后充电。(1)如保持极板与电源连接,在电容器1中充满电介质,则两电容器的总电量将,电容器2的电量将;(2)如断开电源,在电容器1中充满电介质,则两电容器的总电量将,电容器2的电量将(填增大、减少、不变)。
7.用力将电介质从电容器中拉出,图6.17(a)(与电源连接)与(b)(充电后电源断开)两种情形,电容器的静电能分别将和(填增加、减少、不变)。
3.如图6.10,有两块面积均为 的相同金属板,两板间距离为 , ,其中一块金属板带电量为 ,另一块金属板带电量为 ,求两板间的电势差。
*4.在半径为 的金属球之外包有一层均匀介质层,介质层的外半径为 。设电介质的相对介电常数为 ,金属球带电为 ,求:(1)介质层内外的场强分布;(2)介质层内外的电势分布。(3)介质球壳内外表面的极化电荷.
(1)求B板和C板上的感应电荷各为多少?
(2)取地的电位为零,求A板的电位。
【解】(1)由图可知,A来自百度文库上的电荷面密度
(1)
A板的电位为 (2)

所以 (3)
将(3)式代入(1)式,得 (4)
由(4)式可求得B板上的感应电荷为
同理可得C板上的感应电荷为
(3)由(2)式可求得A板上的电位为
【讨论】导体接地的含义主要有两点:(1)导体接地后与地球同电势,一般定义为电势零点。
8.两电容器电容之比 。(1)将它们串联后接到稳恒电源充电,其电场能之比为;(2)如果并联充电,其电场能之比为;(3)上述两种情形的总电场能之比为。
1.平行板电容器极板间充满相对介电常数为 的电介质,若极板上自由电荷面密度为 ,求电介质的电位移和场强。
*2.空气平行板电容器,极板面积 ,极板间距 。在两板间平行插入一相等面积的、厚度为 的导体板。求其电容,并讨论导体板在极板间的相对位置对电容值有无影响。
【解】(1)求电位移矢量
取半径为r的球面为高斯面,则
(2)求电场强度
由介质性质方程
(3)求极化强度矢量
(4)求束缚电荷及束缚面电荷密度
【讨论】电介质问题求解方法:所涉及的物理量:
求解方法:(1)求电位移矢量 ,(2)求电场强度 ,(3)求极化强度矢量 ,(4)求束缚电荷面密度 ,(5)求束缚电荷 。
(2)带电导体接地,接地线提供了与地球交换电量的通道,至于电荷向哪流动,取决于导体接地前的电势是高于大地,还是低于大地。当导体的电势高于大地时,接地喉将有正电荷由导体流向大地,直到导体与大地电势相等为止。
【例6-2】半径为 ,带电量为 的金属球,浸于相对介电常为 的油中。求:
(1)球外电场分布。(2)极化强度矢量。(3)金属球表面油面上的束缚电荷和束缚电荷面密度。
1.A、B是两块不带电的导体,放在一带正电导体的电场中,如图6.3所示.设无限远处为电势零点,A的电势为UA,B的电势为UB,则:
(A)UB>UA0 .(B)UB<UA= 0 .
(C)UB=UA.(D)UB<UA.
2.如图6.4所示,一封闭的导体壳A内有两个导体B和C。A、C不带电,B带正电,则A、B、C三导体的电势UA、UB、UC的大小关系是:
(B)储能减少,但与金属板位置有关;
(C)储能增加,但与金属板位置无关;
(D)储能增加,但与金属板位置有关。
1.假设地球是一个半径为 的球形导体,则地球的电容为 。
2.一平行板电容器,极板面积为S,相距为d.若B板接地,且保持A板的电势UA=U0不变,如图6.15所示.把一块面积相同的带电量为Q的导体薄板C平行地插入两板之间,则导体薄板C的电势UC=.
1.地球表面附近的电场强度为 。如果把地球看作半径为 的导体球,则地球表面的带电量Q=。
*2.一半径r1=5cm的金属球A,带电量为q1= 2.0×10-8C;另一内半径为r2=10cm、外半径为r3=15cm的金属球壳B,带电量为q2= 4.0×10-8C,两球同心放置,如图6.8所示。若以无穷远处为电势零点,则A球电势UA=,B球电势UB=。
(A)UB=UA=UC;(B)UB>UA=UC;
(C)UB>UC>UA;(D)UB>UA>UC。
3.两个同心薄金属球壳,半径分别为 ,若分别带上电量为 的电荷,则两者的电势分别为 (无穷远处为电势零点)。现用导线将两者相连接,则它们的电势为:
(A) ;(B) ;
(C) ;(D) 。
4.一带电量为q半径为 的金属球A,放在内外半径分别为 的不带电金属球B内的任意位置,如图6.5所示,A与B之间及B外均为真空,若用导线把A,B连接,则A球的电势为(设无穷远处电势为零)
二、电容器及其电容
实际孤立导体是不存在的,导体周围有其它物体时,其电势将发生变化,从而其电容随周围物体的性质而变化。
电容器的电容:
电容器中一般充满电解质,电解质的作用有两个:
(1)增大电容;(2)增强电容器的耐电压能力。
三、电容器的串联与并联
串联: 并联:
四、常见电容器的电容
1、平行板电容器的电容
2、球形电容器的电容
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