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电磁学第四章答案全.
习题
2、平行板电容器(面积为S,间距为d)中间两层的厚度各为d1和d2(d1+d2=d),介电常数各为和的电介质。试求:
(1)电容C;(2)当金属板上带电密度为时,两层介质的分界面上的极化电荷密度;(3)极板间电势差U;(4)两层介质中的电位移D;
解:(1)这个电容器可看成是厚度为d1和d2的两个电容器的串联:
(2)分界处第一层介质的极化电荷面密度(设与d1接触的金属板带正电)
分界处第二层介质的极化电荷面密度:
所以,
若与d1接触的金属板带负电,则
(3)
(4),
4、平行板电容器两极板相距3.Ocm,其间放有一层的介电质,位置与厚度如图所示,已知极板上面电荷密度为,略去边缘效应,求:
(1)极板间各处的P、E和D的值;
(2)极板间各处的电势(设正极板处);
(3)画出E-x,D-x,U-x曲线;
解:(1)由高斯定理利用对称性,可给出二极板内:
(各区域均相同),
在0与1之间,
在1与2之间,
在2与3之间,,
(2):
0-1区:
1-2区:
2-3区:
题4图
6、一平行板电容器两极板相距为d,其间充满了两种介质,介电常数为的介质所占的面积为S1, 介电常数为的介质所占的面积为S2。略去边缘效应,求电容C。
解:电容C等效为两个电容器的并联:
9、在半径为R的金属球之外有一层半径为的均匀电介质层,设电介质的介电常数为,金属球带电荷云为Q,求:
(l)介质层内、外的场强分布:
(2)介质层内、外的电势分布;
(3)金属球的电势。
解:(1)当时,,当时,
当时,
(2)介质层内的电势:
(3)金属球的电势:
12、球形电容器由半径为的导体球和与它同心的导体球壳构成,壳的内半径为,其间有两层均匀电介质,分界面的半径为r,介电常数分别为和(见图4-27)。
(1)求电容C;
(2)当内球带电时,求各介质表面上极化电荷的面密度。
解:(1)设导体球和导体球壳分别带电,则它们之间的电势差
所以
(2)第一层介质的内表面上束缚电荷面密度
介质分界面上束缚电荷面密度
第二层介质的外表面上束缚电荷面密度
14、圆柱形电容器是由半径为R1的导线和与它同轴的导体圆筒构成的,圆筒的内半径为R2,其间充满介电常数为ε的均匀介质(见图4-29)。设沿轴线单位长度上导线的电荷为λ,圆筒的电荷为-λ,略去边缘效应,求:
(1)两极的电势差U;
(2)介质中的电场强度,电位移,极化强度
(3)介质表面的极化电荷面密度;
(4)电容C(它是真空时电容的多少倍)
解:(1)在介质中取与导体同轴的半径为r,长为l的柱面为高斯面S,则
(2)由(1)已得出 则
(3)介质表面的束缚电荷面密度
内表面:
外表面:
(4)
20、空气的介电强度为,铜的密度为,铜的原子量为阿伏加德罗常数,金属铜里每个铜原子有一个自由电子,每个电子的电量为
问半径为1.0cm的铜球在空气中最多能带多少电?
铜球所带电量最多时,求它所缺少或多出的电子数与自由电子总数之比;
因导体带电时电荷都在外边面上,当铜球所带电达到最多时,求它所缺少或多出的电子数与表面一层铜原子所具有的电子数之比。
[提示:可认为表面层的厚度为,n为原子数密度。]
解:(1)设最多能带的电量为Q,由 得
(2)设铜球带电量最多时,它所缺少或多出的电子数为P,而铜球内自由电子数为N.
则
(3)设表面一层铜原子具有的自由滴字数为K,表面层的体积
而原子数密度
将n代入式①得,所以
铜球带电最多时,它所缺少或多出的电子数
故
25、一均匀磁化的磁棒,直径为25mm,长为75mm,磁矩为12000,求棒侧表面上的面磁化电流密度。
解:由,得侧面上
28、一圆柱形永磁铁,直径10mm,长100mm,均匀磁化后磁极化强度J=1.20Wb/m2,求:
(1)它两端的磁荷密度;
(2)它的磁矩;
(3)其中心的磁场强度H和磁感强度B。此外和的方向关系如何?
解:(1)两端的磁荷密度
(2)设永磁铁的长度为l,则磁矩:
方向和磁极化强度的方向一致。
(3)在永磁铁内,其中退磁因子按查表得。代入数据得:
的方向和相反,的方向和相同。
29、详见本章典型例题
33、一环形铁芯横截面的直径为4.0mm,环的平均半径R=15mm,环上密绕着200匝线圈(见图4-38),当线圈导线通幽25mA的
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