华南师范大学电磁学习题课–静电场中的电介质.ppt

* * * 静电场中的电介质 习题、例题分析 + 5.2 两个同心的薄金属球壳，内、外球壳的半径分别为R1=0.02m和R2=0.06m. 球壳间充满两层均匀电介质，它们的相对介电常数分别为εr1=6和εr2=3. 两层电介质的分界面半径为R=0.04m.设内球壳带电量为Q=－6×10-8C，求： (1) D和E的分布，并画D－r，E-r曲线； (2) 两球壳之间的电势差； (3) 贴近内金属壳的电介质表面上的面束缚电荷密度. R1 R2 R ε2 ε1 解:(1) 由D的高斯定理 及D－E关系： 易得 R1 R2 R ε2 ε1 E,D r 0 R R2 R1 -1 -2 -3 -4 -5 R1 R2 R ε2 ε1 D-r， E-r曲线如下图所示 R1 R2 R ε2 ε1 (2) 两球壳之间的电势差为 代入有关数据求得 (3) 由 及 可得贴近内金属壳的电介质表面上的面束缚电荷密度为 5.4 一平板电容器板间充满相对介电常数为εr的电介质而带有电量Q . 试证明：与金属板相靠的电介质表面所带的面束缚电荷的电量为 证明：因为无电介质存在时，电容器极板间的电场强度为 因此极板间充满了相对介电常数为εr的电介质后，电容器极板间的电场强度变为 电介质中的极化强度为 图中与上金属板相靠的电介质表面所带的面束缚电荷密度为 故与上金属板相靠的电介质表面所带的面束缚电荷的电量为 同法可求得与下金属板相靠的电介质表面所带的面束缚电荷的电量为 P 5.19 一平行板电容器面积为S，板间距离为d，板间以两层厚度相同而相对介电常数分别为εr1和εr2的电介质充满.求此电容器的电容. 解：方法一：利用电容器串联公式 原电容器可看成是由两个电容器C1与C2串联而成，如右图所示. C1 C2 因此原电容器的电容为 解：方法二：利用电容的定义公式 设电容器带电量为Q，如图所示. 则相对介电常数为εr1的电介质中的电场强度为 相对介电常数为εr2的电介质中的电场强度为 那么，原电容器两极板间的电势差为 因此，电容器的电容为 5.23 将一个100pF的电容器充电到100V，然后把它和电源断开，再把它和另一电容器并联，最后电压为30V.第二个电容器的电容多大？并联时损失了多少电能？这电能哪里去了？ 解: 由于第一个电容器充电后与电源断开，所以其上的电量保持不变,设为Q0. 当它与第二个电容器并联时，这电量将在这两个电容器中重新分布，但总量不变. 于是有 所以有 并联时损失的电能为 代入有关数据，可求得 这电能消耗在连接导线的焦耳热上 5.3 两共轴的导体圆筒的内、外筒半径分别为R1和R2，R22R1. 其间有两层均匀电介质，分界面半径为r0. 内层介质相对介电常量为εr1，外层介质的相对介电常量为εr2，且εr2=εr1/2.两层介质的击穿场强都是Emax. 当电压升高时，哪层介质先击穿？两筒间能加的最大电势差多大？ R1 R2 r0 εr1 εr2 解：设内圆筒带电，其面电荷密度为σ. 则利用D的高斯定理易得内、外圆筒间的电位移为 场强为：内层介质中 外层介质中 场强为：内层介质中 外层介质中 R1 R2 r0 εr1 εr2 显然，内层介质中最大场强出现在r=R1处 外层介质中最大场强出现在r=r0处 因为 ，故 由于当电压升高时，外层介质场强总大于内层介质场强，故外层介质中的r0处先达到击穿场强而被击穿. 场强为：内层介质中 外层介质中 R1 R2 r0 εr1 εr2 内外筒间的电压为 不致电介质被击穿的最大电压为 5.14 一个平行板电容器的每个板的面积为0.02m2,两板相距0.5mm，放在一个金属盒子中(如图所示). 电容器两板到盒子上下底面的距离各为0.25mm，忽略边缘效应，求此电容器的电容. 如果将一个板和盒子用导线连接起来，电容器的电容又是多大？ 0.50mm 0.25mm 0.25mm 解：分别以A、B、H表示平行板电容器的两个极板和金属盒子. A B H 那么，平行板电容器与金属盒子所组成的电容器系统的电路如图1所示. A A H H B B 图1 这一系统的等效电容为 A B H 0.50mm 0.25mm 0.25mm A A H H B B 图1 其中 S=0.02m2,d1=0.50mm=5×10-4m 其中 S=0.02m2,d2=0.25mm=2.5×10-4m 由(1)、(2)、(3)式，并代入有关数据可求得 A B H 0.50mm 0