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(大学物理下课后答案
第13章 静电场中的导体和电介质
13.1一带电量为q,半径为rA的金属球A,与一原先不带电、内外半径分别为rB和rC的金属球壳B同心放置,如图所示,则图中P点的电场强度如何?若用导线将A和B连接起来,则A球的电势为多少?(设无穷远处电势为零)
[解答]过P点作一个同心球面作为高斯面,尽管金属球壳内侧会感应出异种,但是高斯面内只有电荷q.根据高斯定理可得
E4πr2 = q/ε0,
可得P点的电场强度为
.
当金属球壳内侧会感应出异种电荷-q时,外侧将出现同种电荷q.用导线将A和B连接起来后,正负电荷将中和.A球是一个等势体,其电势等于球心的电势.A球的电势是球壳外侧的电荷产生的,这些电荷到球心的距离都是rc,所以A球的电势为
.
13.2 同轴电缆是由半径为R1的导体圆柱和半径为R2的同轴薄圆筒构成的,其间充满了相对介电常数为εr的均匀电介质,设沿轴线单位长度上导线的圆筒的带电量分别为+λ和-λ,则通过介质内长为l,半径为r的同轴封闭圆柱面的电位移通量为多少?圆柱面上任一点的场强为多少?
[解答]介质中的电场强度和电位移是轴对称分布的.在内外半径之间作一个半径为r、长为l的圆柱形高斯面,根据介质中的高斯定理,通过圆柱面的电位移通过等于该面包含的自由电荷,即 Φd = q = λl.
设高斯面的侧面为S0,上下两底面分别为S1和S2.通过高斯面的电位移通量为
,
可得电位移为 D = λ/2πr,
其方向垂直中心轴向外.
电场强度为 E = D/ε0εr = λ/2πε0εrr,
方向也垂直中心轴向外.
13.3 金属球壳原来带有电量Q,壳内外半径分别为a、b,壳内距球心为r处有一点电荷q,求球心o的电势为多少?
[解答]点电荷q在内壳上感应出负电荷-q,不论电荷如何分布,距离球心都为a.外壳上就有电荷q+Q,距离球为b.球心的电势是所有电荷产生的电势叠加,大小为
13.4 三块平行金属板A、B和C,面积都是S = 100cm2,A、B相距d1 = 2mm,A、C相距d2 = 4mm,B、C接地,A板带有正电荷q = 3×10-8C,忽略边缘效应.求
(1)B、C板上的电荷为多少?
(2)A板电势为多少?
[解答](1)设A的左右两面的电荷面密度分别为σ1和σ2,所带电量分别为
q1 = σ1S和q2 = σ2S,
在B、C板上分别感应异号电荷-q1和-q2,由电荷守恒得方程
q = q1 + q2 = σ1S + σ2S. ①
A、B间的场强为 E1 = σ1/ε0,
A、C间的场强为 E2 = σ2/ε0.
设A板与B板的电势差和A板与C板的的电势差相等,设为ΔU,则
ΔU = E1d1 = E2d2, ②
即 σ1d1 = σ2d2. ③
解联立方程①和③得
σ1 = qd2/S(d1 + d2),
所以 q1 = σ1S = qd2/(d1+d2) = 2×10-8(C);
q2 = q - q1 = 1×10-8(C).
B、C板上的电荷分别为
qB = -q1 = -2×10-8(C);
qC = -q2 = -1×10-8(C).
(2)两板电势差为
ΔU = E1d1 = σ1d1/ε0 = qd1d2/ε0S(d1+d2),
由于 k = 9×109 = 1/4πε0,
所以 ε0 = 10-9/36π,
因此 ΔU = 144π = 452.4(V).
由于B板和C板的电势为零,所以
UA = ΔU = 452.4(V).
13.5 一无限大均匀带电平面A,带电量为q,在它的附近放一块与A平行的金属导体板B,板B有一定的厚度,如图所示.则在板B的两个表面1和2上的感应电荷分别为多少?
[解答]由于板B原来不带电,两边感应出电荷后,由电荷守恒得
q1 + q2 = 0. ①
虽然两板是无限大的,为了计算的方便,不妨设它们的面积为S,则面电荷密度分别为
σ1 = q1/S、σ2 = q2/S、σ = q/S,
它们产生的场强大小分别为
E1 = σ1/ε0、E2 = σ2/ε0、E = σ/ε0.
在B板内部任取一点P,其场强为零,其中1面产生的场强向右,2面和A板产生的场强向左,取向右的方向为正,可得
E1 - E2 – E = 0,
即 σ1 - σ2 – σ = 0,
或者说 q1 - q2 + q = 0. ②
解得电量分别为
q2 = q/2,q1 = -q2 = -q/2.
13.6 两平行金属板带有等异号电荷,若两板的电势差为120V,两板间相距为1.2mm,忽略边缘效应,求每一个金属板表面的电荷密度各为多
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