-电容器和介电质习题答案.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,6.3,电容和电容器,6-3-1,孤立导体的电容,导体具有储存电荷的本领,电容：,孤立导体所带电量,q,与其电势,V,的比值,。,法拉（,F=CV,-1,）,尖端放电：,例：孤立导体球,孤立导体球的电容为：,电势：,孤立导体的电容仅取决于导体的几何形状和大小，与导体是否带电无关。,地球的电容：,R,6-3-2,电容器,电容器：,一种储存电能的元件。由电介质隔开的两块任意形状导体组合而成。两导体称为电容器的极板,。,电容器的符号：,电容器电容：,极板电量,q,与极板间电势差,V,AB,之比值。,电容器的计算,1,、平板电容器,d,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,B,A,-,q,+,q,E,S,电容：,：相对介电常数（电容率）,2.,球形电容器,R,A,R,B,当,（孤立导体球的电容）,当,R,A,R,B,3,.,圆柱形电容器,由介质高斯定理计算得：,l,r,圆柱形电容器电容：,设极板间距为,d,，,R,B,=,R,A,+,d,当,d,R,A,时,（）,R,A,R,B,计算电容器电容的步骤：,1,、计算极板间的场强,E,2,、计算极板间的电势差,3,、由电容器电容定义计算,C,6-2-3,电容器的联接,1.,电容器的串联,C,1,C,2,C,n,V,AB,设各电容带电量为,q,串联电容器的等效电容的倒数等于各电容的倒数之和。,结论：,等效电容：,2.,电容器的并联,C,1,C,2,C,3,V,AB,总电量：,等效电容：,并联电容器的等效电容等于个电容器电容之和。,结论：,例,1.,自由电荷面密度为,o,的平行板电容器，充满,相对介电常数为,r,的电介质，,其电容量为多少？极化电荷面密度为多少？,解,:,（,1,）求,其电容量,由介质中的高斯定理,D,（,2,）求极化电荷面密度,例,2.,一平行板电容器充以两种不同的介质，每种介质各占一半体积。求其电容量。,解：,6-4-2,电容器的能量,-q,+q,V,AB,+,+,d,q,因为,所以,6.2,静电场中的电介质,分子中的正负电荷束缚的很紧，介质内部几乎没有自由电荷。,电介质的特点：,电介质：,电阻率很大，导电能力很差的物质，即绝缘体。,（常温下电阻率大于,10,7,欧,米）,H,4,C,9-2-1,电介质的极化,两大类电介质分子结构：,分子的正、负电荷中心在无外场时重合。不存在固有分子电偶极矩。,1.,无极分子：,=,H,2,O,分子的正、负电荷中心在无外场时不重合，分子存在固有电偶极矩。,2.,有极分子：,=,电偶极子,1,、无极分子的位移极化,E,在外电场的作用下，介质表面产生的电荷称为,极化电荷,或称,束缚电荷,。此现象称为,电介质的极化,。,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,无极分子在外场的作用下由于正负电荷发生偏移而产生的极化称为,位移极化,。,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,2,、有极分子的转向极化,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,E,o,F,F,+,-,E,o,有极分子在外场中发生偏转而产生的极化称为,转向极化,。,外电场：,极化电荷产生的电场：,介质内的电场：,击穿：,在强电场作用下电介质变成导体的现象,。,空气的击穿电场强度约为：,矿物油的击穿电场强度约为：,云母的击穿电场强度约为：,6.2.3,有介质时的高斯定理,封闭曲面,S,所包围的自由电荷。,封闭曲面,S,所包围的极化电荷。,极化电荷难以测得,E,0,E,E,=,+,E,0,.,d,S,=,s,q,i,0,E,.,d,S,=,s,0,q,i,自由电荷,定义电位移矢量：,介质中的高斯定理：,在静电场中，通过任意封闭曲面的电位移通量等于该曲面所包围的自由电荷的代数和,。,注意：,电位移矢量 是一个辅助量。描写电场的基本物理量是电场强度 。,只适用于各向同性的均匀介质。,放入介质时的,E,线,未放入介质时,极化后介质内部场强削弱,的,E,0,线,自由电荷与极化电荷共同产生场,放入介质时的,D,线,未放入介质时,的,D,0,线,介质中无自由电荷，所以,D,线是连续的。,有介质时静电场的计算,1.,根据介质中的高斯定理计算出电位移矢量。,2.,根据电场强度与电位移矢量的关系计算场强。,+,d,d,1,2,0,r,B,A,+,+,+,+,+,D,1,D,2,E,E,1,2,例,一平行板电容器，其中填充了一,层介质，尺寸如图，介质的相对介电常数为,r,。,D,1,D,2,E,E,1,2,；,1,.,用介质中高斯定理求：,2,.,求：,A,B,；,A,B,；,V,V,d,d,1,2,0,r,B,A,+,+,+,+,+,D,1,+,+,+,+,+,=,+,0,0,D,S,=,S,1,D,=,1,D,=,d,S,.,D,d,S,上,.,D,d,S,下,.,D,d,S,侧,.,+,+,s,E,=,1,D,0,r,1,D,0,1,=,=,0,S,D,=,2,A,d,d,1,0,r,B,+,+,+,+,+,D,2,+,+,+,+,2,D,=,d,S,.,D,d,S,上,.,D,d,S,下,.,D,d,S,侧,.,+,+,s,+,=,+,0,0,D,d,S,上,.,2,cos180,o,E,=,D,2,0,r,2,=,0,r,S,=,D,S,=,2,S,0,0,=,d,d,1,2,+,r,=,0,d,l,A,C,d,l,C,B,+,0,r,=,V,V,A,B,d,l,E,.,A,C,1,d,l,E,.,C,B,2,+,E,2,=,0,r,E,1,=,0,+,d,d,1,2,0,r,B,A,+,+,+,+,+,D,1,D,2,E,E,1,2,例,1.,自由电荷面密度为,o,的平行板电容器，充满,相对介电常数为,r,的电介质，,其电容量为多少？极化电荷面密度为多少？,解,:,（,1,）求,其电容量,由介质中的高斯定理,D,（,2,）求极化电荷面密度,例,2.,一平行板电容器充以两种不同的介质，每种介质各占一半体积。求其电容量。,解：,例,3.,三平行金属板,A,、,B,、,C,面积均为,200cm,2,，,A,、,B,间相距,4.0mm,，,A,、,C,间相距,2.0mm,，,B,和,C,两板都接地。如果使,A,板带正电,3.0,10,-7,C,，,求：,B,、,C,板上感应电荷；,2mm,4mm,B,A,C,解：设,A,板带电为,q,=,q,1,+,q,2,3.0,10,-7,c,，,B,、,C,两板的感应电荷分别为,-,q,1,及,-,q,2,。,U,A,=,U,B,U,A,U,C,=,E,AB,d,AB,E,AC,d,AC,S,e,0,=,E,AB,q,1,S,e,0,=,E,AC,q,2,q,1,=,q,2,E,AB,E,AC,=,d,AC,d,AB,=,1,2,q,1,=1.0,10,-7,(C),q,2,=2.0,10,-7,(C),q,B,=-,q,1,=-1.0,10,-7,(C),q,C,=-,q,2,=-2.0,10,-7,(C),-,q,1,q,1,-,q,2,q,2,2mm,4mm,B,A,C,d,1,d,2,例,4.,一平行板电容器，中间有两层厚度分别为,d,1,和,d,2,的电介质，它们的相对介电常数分别为,r1,和,r2,，,极板面积为,S,。,求电容。,解：,例,5.,球形电容器由半径为,R,1,的导体球和内半径为,R,3,的导体球壳构成，其间有两层均匀电介质，分界面的半径为,R,2,，,相对介电常数分别为,r1,和,r2,。,求：电容。,R,1,R,2,R,3,r1,r2,解：,介质,1,介质,2,R,1,R,2,R,3,r1,r2,介质,1,介质,2,6.4,静电场的能量,6-4-1,点电荷系的电能,a,b,外力的功：,静电能：,两个点电荷的相互作用能：,或,点电荷系统的相互作用能：,式中,V,i,表示除第,i,个点电荷以外的所有其它点电荷的电场在所,q,i,在处的总电势。,连续分布带电体的电能：,6-4-2,电容器的能量,-q,+q,V,AB,+,+,d,q,因为,所以,6-4-3,电场的能量,电能是储存在（定域在）电场中,电容器体积：,V,=,Sd,以平板电容器为例：,电场的能量密度：,单位体积电场所具有的能量,结论：,电场的能量密度与电场强度的平方成正比,电场能的计算式：,注意：,对于任意电场，上式普遍适用。,R,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,Q,例,1,求一均匀带电球面的电场能量。,已知,:,Q,R,.,例,2.,真空中一半径为,a,，,带电量为,Q,的均匀球体的静电场能。,解：,球内场强：,a,Q,球外场强：,a,Q,球内场强：,球外场强：,例,2.,空气平行板电容器，面积为,S,，,间距为,d,。,现在把一块厚度为,t,的铜板插入其中。（,1,）计算电容器的电容改变量。（,2,）电容器充电后断开电源，再抽出铜板需作多少功？,解：,插入前：,插入后：,d,t,例,3.,球形电容器带电,q,，,内外半径分别为,R,1,和,R,2,，,极板间充满介电常数为,的电介质。计算电场的能量。,R,1,R,2,r,d,r,解：,计算电容量：,静电能（,自能）,电势能,(,相互作用能,),关于电场的能量的讨论,