电介质习题思考题.doc

习题13 13-1．如图为半径为的介质球，试分别计算下列两种情况下球表面上的极化面电荷密度和极化电荷的总和，已知极化强度为P(沿轴)。 （1）；（2）。 解：可利用公式算出极化电荷。 首先考虑一个球的环形面元，有：， （1）时，由知， ； （2）时，， 。 13-2．平行板电容器，板面积为，带电量，在两板间充满电介质后，其场强为，试求：（1）介质的相对介电常数；(2)介质表面上的极化电荷密度。 解：（1）由，有： （2） 13-3．面积为的平行板电容器，两板间距为，求：（1）插入厚度为，相对介电常数为的电介质，其电容量变为原来的多少倍？（2）插入厚度为的导电板，其电容量又变为原来的多少倍？ 解：（1）电介质外的场强为：， 而电介质内的场强为：， 所以，两板间电势差为：， 那么，，而，∴； （2）插入厚度为的导电板，可看成是两个电容的串联， 有：， ∴。 13-4．在两个带等量异号电荷的平行金属板间充满均匀介质后，若已知自由电荷与极化电荷的面电荷密度分别为与(绝对值)，试求：（1）电介质内的场强；（2）相对介电常数。 解：（1）由：，有： （∵给出的是绝对值） （2）又由，有：。 13-5．在导体和电介质的分界面上分别存在着自由电荷和极化电荷。若导体内表面的自由电荷面密度为，则电介质表面的极化电荷面密度为多少？(已知电介质的相对介电常数为) 解：由，考虑到， 有：， 与联立，有：， 得：，∴。 13-6．如图所示，半径为的导体球带有电荷Q，球外有一层均匀介质同心球壳，其内、外半径分别为和，相对电容率为，求：介质内、外的电场强度和电位移。 （1）导体内外的电位移为：，；，。 （2）由于，所以介质内外的电场强度为： 时，；时，； 时，；时，。 13-7．一圆柱形电容器，外柱的直径为，内柱的直径可以适当 选择，若其间充满各向同性的均匀电介质，该介质的击穿电场强度 大小为，试求该电容器可能承受的最高电压。 解：由介质中的高斯定理，有：， ∴， ∵击穿场强为，∴，则， 令，有：，∴， ∴。 13-8．一平行板电容器，中间有两层厚度分别为和的电介质，它们的相对介电常数为和，极板面积为，求电容量。 解：∵，∴，， 而：， 有：。 13-9．利用电场能量密度计算均匀带电球体的静电能，设球体半径为，带电量为。 解：首先求出场强分布： ∴ 。 13-10．半径为的导体外套有一个与它同心的导体球壳，球壳的内外半径分别为和，当内球带电量为时，求：（1）系统储存了多少电能?（2）用导线把壳与球连在一起后电能变化了多少？ 解：（1）先求场强分布： 考虑到电场能量密度，有：球与球壳之间的电能： 球壳外部空间的电能： ， ∴系统储存的电能：； （2）如用导线把壳与球连在一起，球与球壳内表面所带电荷为0，所以 而外表面所带电荷不变，那么：。 13-11．球形电容器内外半径分别为和，充有电量。（1）求电容器内电场的总能量；（2）证明此结果与按算得的电容器所储电能值相等。 解：（1）由高斯定理可知，球内空间的场强为：，（） 利用电场能量密度，有电容器内电场的能量： ； （2）由， 则球形电容器的电容为：， 那么，。（与前面结果一样） 13-12．一平行板电容器的板面积为，两板间距离为，板间充满相对介电常数为的均匀介质，分别求出下述两种情况下外力所做的功：（1）维持两板上面电荷密度不变而把介质取出；（2）维持两板上电压不变而把介质取出。 解：（1）维持两板上面电荷密度不变，有介质时：， （，） 取出介质后：， 外力所做的功等于静电场能量的增加：； （2）维持两板上电压不变，有介质时：， 取出介质后：，∴。 考虑外力对电源做功： 所以外力所做的功为： 13-13．在边长为a的等边三角形的三个顶点上各有一电荷为+q的点电荷，而在三角形中心处有一电荷为的点电荷，如图所示．求此点电荷系的电势能． 解：三角形三个顶点上的电荷间的电势能为 三角形中心上的电荷与三个顶点的电荷间的电势能为 总电势能 W = W1 + W2 答案：0。 思考题13 13-1．介质的极化强度与介质表面的极化面电荷是什么关系？ 答：。 13-2．不同介质交界面处的极化电荷分布如何？ 答：， 即在两种介质的交界面上，极化电荷的面密度等于两种介质的极化强度的法向分量之差。 13-3．介质边界两侧的静电场中及的关系如何？ 答：在两种介质的交界面上，若无自由电荷电位移矢量在垂直界面的分量是连续的，平行于界面的分量发生突变。电场强度在垂直界面的分量是不连续的，有突变。 13-4．真空中两点电荷、在空间产生的合场强为.系统的电场能为 . （1）说明等式后面三项能量的意义；