第章 静电场中的导体与电介质

1、 第章-静电场中的导体与电介质 作者： 日期： 2 第八章 静电场中的导体与电介质 问题 500kV，因此你不可与之接触”有人说：“某一高压输电线的电压有。这8-1 句话是对还是不对？维修工人在高压输电线路上是如何工作的？ 解 这种说法不正确，可以利用空腔导体的静电屏蔽原理，使维修工人穿上导电性能良好的屏蔽服，电场不会深入到人体，从而可以保证维修工人的安全。 8-2 将一个带电小金属球与一个不带电的大金属球相接触，小球上的电荷会全部转移到大球上去吗？ 解 不会。带电小金属球与不带电的大金属球相接触后会达到静电平衡，内部电场强度为零。若小球上的电荷全部转移到大球上去，则两球组成的整体内部电场强度

2、不可能为零。 8-3 在高压电器设备周围，常围上一接地的金属栅网，以保证栅网外的人安全，试说明其道理。 解 这是利用空腔导体的静电屏蔽作用。金属栅网就是一个金属壳体，将栅网接地，栅网外部将不受栅网内部电场的影响。 8-4 在绝缘支柱上放置一闭和的金属球壳，球壳内有一人，当球壳带电并且电荷越来越多时，他观察到的球壳表面的电荷面密度、球壳内的场强是怎样的？当一个带有跟球壳相异电荷的巨大带电体移近球壳时，此人又将观察到什么现象？此人处在球壳内是否安全？ 解 带电金属球壳由于静电平衡，电荷分布于球壳表面，当电荷越多，球壳表面的电荷面密度增大，球壳内场强为零。当带有异号电荷的巨大带电体移近球壳时，会发生

3、放电现象，由于静电屏蔽作用，球壳空间电场不受外部空间场强的影响，所以人处于球壳内不会有危险。 8-5 电介质的极化现象和导体的静电感应现象有些什么区别？ 解 导体的静电感应现象是在外电场作用下导体中的自由电荷作定向运动而使自由电荷重新分布；电介质的极化现象是在外电场的作用下介质表面产生极化电荷。二者有着实质的区别，静电感应所产生的电荷是导体内部的自由电荷，而极化现象中出现在介质表面上的电荷则是束缚电荷；而且它们形成的方式也不同，静电感应是导体内部自由电荷的运动，而极化实质是电介质内部电偶极矩的产生。 8-6 在下列情况下，平行平板电容器的电势差、电荷、电场强度和所贮的能量将如何变化。（1）断开

4、电源，并使极板间距加倍，此时极板间为真空；（2）断开电 3 ?2.5?）保持电源与电容器两极相连，3源，并使极板间充满相对电容率的油；（r）保持电源与电容器两极相连，使极板间4使极板间距加倍，此时极板间为真空；（?2.5? 充满相对电容率的油。rQUC电场强度为解 设最初平行平板电容器的电容为、电势差为、电荷为?Ws?QsdC?EQUCE、据、以，我们可根贮、所的能量为、e1QU?W. 等来判断不同情况下各物理量的变化 e2Qd2dE不变，电荷1）断开电源，极板间距加倍即不变，电场强度变为（W2U2. ，所贮的能量增为电势差e?2.5?Q不变，电场（2）断开电源，并使极板间充满相对电容率的油，

5、电荷r?WEUE. 强度，所贮的能量减少为减为，电势差减少为rerr）保持电源与电容器两极相连，使极板间距加倍，极板间为真空，电容器电（3容变为原来的一半，电势差不变，电荷减少为原来的一半，电场强度减少为原来的. 一半，所贮的能量也减少为原来的一半?2.5?的油，电容）保持电源与电容器两极相连，极板间充满相对电容率（4r?C2.5倍，所贮的能倍，即，电势差不变，电荷增为原来的器的电容为原来的rr?. 量增加为原来的倍r 然后将一厚度为两极板间 8-7一平行板电容器被一电源充电后，将电源断开，）极板上）电容；（2距一半的金属板放在两极板之间，试问下述各量如何变化？（1 ）电场的能量。）极板间的电

6、场强度；（4（53面电荷；（）极板上的电势差；Qd，插入金属板达到静电平衡设极板间距为，断开电源后电容器带电为解 Q的异种感应电荷。此时后，金属板与电容器极板相对应的两表面分别带上大小为4dQ的平行板电容器的串联。则插入金、间距为的电容器可以看作是两个带电为?s2d，即为原来的两倍；极板上电荷不变；极板上的电势差为属板后的电容为0 4 21；极板内除金属板内电场强度为零，剩余空间场强不变；电场能量减少原来的21. 为原来的 如果圆柱形电容器的内半径增大，使两柱面之间的距离减为原来的一半，8-8 此电容器的电容是否增大为原来的两倍？?l2?r0?CRR为内半圆柱形电容器电容, 其中为外半径，解

7、不是.ABRlnRABd?R?Rd，当两柱面之间的距离减为原来的一半，径，设两柱面间距为，即AB?2dR?R?C?C2. 即，此时AB 一个带电的金属球壳里充满了均匀电介质，外面是真空，此球壳的电1）8-9 （1Q）若球壳内为真空，球壳外是无限大均匀电介？为什么？（2势是否等于 ?R?4r0?QR为介质的这时球壳的电势为多少？质，为球壳半径，为球壳上的自由电荷，r 相对电容率。Q1若均匀电介质充满球壳外空间，2）；（此时球壳内的电势等于解 （1） ?R?401Q. 球壳电势为 ?R?4r0 CC的电容器串联后进行充电，然后断开电源，把和8-10 把两个电容各为21 它们改成并联，问它们的电能是

8、增加还是减少？为什么？CC21，小于之前两电容器的电容，两电容器串联后电容器等效电容为解 C?C21C?C可见两电容器并联，大于之前电容器的电容，并联后两电容器的等效电容为21后的等效电容大于串联后的等效电容，又因为充电后断开电源，串联与并联的两种 5 2Q1W?Q可知，改为并联之后电能减少。情况电容器电荷总量 不变，由 e2C 习题 ?4R?5.0?10m的圆柱型阴极和一真空二极管，其主要构件是一个半径8-1 1?3R?4.5?10m的同轴圆筒型阳极。阳极电势比阴极电势高一个套在外、半径为2?2m2.5?10L?V300.，阴极和阳极的长均为假设电子从阴极射出时的初速度为零,求:(1)该电子

9、到达阳极时所具有的动能和速率；（2）电子刚从阴极射出时所受的力。 R?L）， 由于二极管内圆柱半径远远小于圆柱长（所以可将两极看作两解1无限长同轴圆柱面，两极之间的电场呈轴对称分布。 （1）电子从阴极射出，初速度为零，经过两极电场受到电场力的作用，到达阳极时所获得的动能等于电场力所作的功，即电势能的减少，所以 ?17E?E?eV?4.8?10J Pk此时，电子所具有的速度为 7?1sm?2Em?1.0310v? kr 的一点处电场强度为 （2）由高斯定理可知，两极间距离中心轴为?e?E? r?r2?0 两极间的电势差为?RRR22?2?EdrV?lndr=? ?Rr2?2RR11100其中负号

10、表示阴极电势比阳极电势低. 由上可知，阴极附近的电场强度为 VeE? rRlnR2 1R1 6 V300?V 其中 所以电子刚从阴极射出时所受的电场力为14?N10eE=4.37?F?e r RR的同心薄导体球壳，外球壳所带总8-2 一导体球半径为，外罩一半径为21VQ 电荷为，求此系统的电势和电场分布。，而内球的电势为0q，当达到静电平衡后，假设内球带电量为解 Q?q 两球电荷分布如图所示，由于导体球壳电荷分布呈qr同心球面为高斯面。由高对称，我们可以取半径1?q?E?dS可得此系统各区域的电场斯定理0R2 分布为?0r?E 1R?r 1q?ErR?r?R 2122?r4?0q?Q?rEr?

11、R 232?r4?0利用电势与电场强度的积分关系，可得各区域电势分布如下： r?R时当 1?RR?21?ld?Eld?E?dl?E?dl(Vr)?E? 3211RRrr21qQ? ?R4R4?2100R?r?R时当 21?R?2?lE?d?d?l?)(Vr?Ed?El 322Rrr2 7 Qq? ?Rr44?200R?r 时当2Qq?dE?dl)?lE?V(r 33?r4?rr0Qq?V?V?V，即 又由题意可得，内球的电势为 010?RR?442100R?1?4?RVqQ? 所以内球带电量为 001R2q 将值带入到各区域电场、电势表达式中可得V?0VERr? ，；时 当0111?Q?RrR

12、VRVQR101101?ER?R?r?V? ，时当 ； 212222?r?rR4rRr4?2020?Q?RQRR?RRVRV11220101Rr?E?V. 当 ，时 23322?rrR4?r4Rr?2200 S之间，平行插入两块不B且相互平行带电薄导体板A8-3 在两块面积均为、3d，已的间距均为C、C和D、D和B 如图（带电薄导体板C、Da），其中A和U分析各导体板上的电荷分布，求各之间的电势差为.(1) 知C、D未插入时，A、BUUU，相连后如图（b区域的电场强度和电势差）、；（2）用导线将CDDBCDAC，然后断开，再如图（c）最后用导线将将导线撤去，再求（1）；（3A、B相连. 求（1

13、）D B A C B D C A C D B A qqq?qqqqq1 12 q?qq?q?q?q?q?q?1213d3d3da（b（c（ 8 q，则平衡后电荷分布如（a根据静电平衡条件，设板A内表面带电为）解 (1)所示，各板间电场为匀强电场且电场强度相同。所以有 UU?U?U? DBCDAB3U?E?EE?E? 312d?SU?0?S?ESq? 0dU?0，此时电荷分布如图（D相连后断开，则b）所示。（2）用导线将C、CDE?0. 、D之间电场强度为零，既由静电平衡知，由于C、D板电势相等，所以C2A与C、 D与B相对的表面电荷分布不变，所以这两个区域内的电势与场强分布不变，即 1UU?U

14、? DBAC3U?E?E 31dU?0，静电平衡后电荷分布如图（c）(3) 用导线将A、B相连后断开，则AB所示。由于导体板C、D分别所带的电荷仍不变，即 ?SU0?qq?q （ 1） 21d 又因为A、B电势差为零，即qqqddd121?0U? （2） AB?S333SS000 （）2）式可得由（1?S2S00U?Uq?q ， 2133dd所以C、D之间的电场强度与电势差为 2U2U?UE ， CD23d9A与C、D与B之间的电场强度和电势差分别为 1UE?U?UUE? ， 3ACDB193d ORr相距为, 8-4 如图所示在真空中将半径为的金属球接地，在与球心qRr?，不计接地导线上电荷

15、的影响，求金属球表面上的感（）处放置一点电荷 9 应电荷总量。 解 由题可知，金属球为等势体，且电势为?q Rq?q，其内任意零。设金属球表面感应电荷总量为O rq与球面上感应电荷一点的电势等于球外点电荷?qO又感应电荷在球在球心激发的电势的叠加。 ?qq?VVOO.处激发的电势为，心球外点电荷在球心激发的电势为 ?r44?R00O 的电势为由上分析可知在球心?qq0?V? O?R?r4400 ,金属球表面的感应电荷总量为所以R?q?q? r 2?5?m4.5?10C?， 8-5 有一个平板电容器，充电后极板上电荷面密度为0?2.0?的电介质插入两极板之间。然后再把相对电容率为现将两极板与电源

16、断开，rED 和此时电介质中的各为多少？由介质, 极板上自由电荷面密度不变,解 电容器冲电后断开电源,插入电介质 中的高斯定理可得介质中的电位移矢量大小为25?mC?4.5?10?D 0. 其方向由正极板指向负极板?E?D 由可得介质中的电场强度大小为r0D16?mV?10?E?2.5 ?r0. 其方向也是由正极板指向负极板 RR，的长直导线外套有氯丁橡胶绝缘护套，在一半径为8-6 护套外半径为21?D和试求介质层内的设沿轴线单位长度上导线的电荷密度为相对电容率为，rE. 10 RR我们可将此导线看作无限长、且自由电荷均匀分布解 2?，同时在绝缘介质层内、于表面。导线上自由电荷密度为 外表面分

17、别有极化电荷产生，且呈轴对称分布。r、由电荷分布的对称性，我们可以取与导线同轴、半径为L 的圆柱面为高斯面（如图），由介质中的高斯定理有长为?L=2?rL?dS?D?D S1rl ?e?D 即 rr2?ED?可得介质层内的电场强度为由 r0?De?E r?r2?r0r0 100km,它们之间相距约为试估8-7 地球和电离层可当作一个球形电容器,算地球-电离层系统的电容.设地球与电离层之间为真空. 解 地球相当于球形电容器的内壳层，电离层相当于电容器的外壳层，即 656m10?R?1.00?106.47m?R?6.37?10mR ，112由球形电容器电容公式可得 RR?2?21F4.58?C?4

18、?10 0R?R12 mmm0.503.26输电线位于.,两线中心相距 8-8两线输电线的导线半径为. 地面上空很高处,求输电线单位长度的电容因而大地影响可以忽略. 节例由教材 8-44可知两输电线的电势差为解?d?RlnU? ?R?0所以，输电线单位长度的电容为 ?0?C ?RdUln Rd?R ，所以又导线半径远小于两线间距（） 11 ?120F?10?4.86C? dln R mm0.50构成的空气平板电容器，、B的薄金属板A8-9 如图所示,两块相距为mm0.25K，金属板面A、分别相距被屏蔽在一个金属盒B，金属盒上、下两壁与2mm30?40若电容器的积为被屏蔽后的电容器电容变为原来的

19、几倍；（2）.求:(1) 一个引脚不慎与金属屏蔽盒相碰，问此时的电容又为原来的几倍。与金属盒一起相当）薄金属板A、B 解 （1K a，)）于三个电容器串联构成的一个回路（如图( A CC板与金属盒上壁为为A、B板构成, 其中A21B C间BB板与金属盒X下壁构成. A构成, 、由3 CA CCC并联的等效电容相当于串联之后再与、2C321C1B 3 . 又所得的电容(a)C2dC?C?d?2d?2、, 所以A, 因此132312 CA 间的总电容为B 2C1B CC?(b)32C2CC? 11C?C32. 即被屏蔽后电容器电容增大为原来的2倍CC如极板短接(2)若电容器的一个引脚不慎与金属屏蔽

20、盒相碰，相当于(或32b . 图（则总电容为）), 被短接的电容为零?C?C3 1. 倍即被屏蔽后电容器电容增大为原来的3 BA和点如图所示，在点8-10 ?C?CF6?F4 3之间有五个电容器，其连接如图所示。1 ?C?F245BA两点之间的等效电容；1（）求、 ACBD V12BA，2、）若之间的电势差为（?C?F2C?F842 12 UUU. 求、DBCDAC 1）由电容器的串、并联可得解 （AC 之间电容为?F12C?C?C? 2AC1CD 之间电容为?F?C?CC?8 4CD3AB 所以之间电容满足1111? CCCC5ABCDACAB 之间等效电容为由上可知，?F4C? ABC?Q

21、QCUU? ，（2）由于 ，ACACABABACABQCU?QCU ，DBCDCDDBCDDBQ?Q?Q?QCDBA, 所以有、根据 、各处电流相等可知DBABCDACCABU?4VU? ABACCACCABU?6VU? CDABCCDCABU2V?U? DBABCDB 2cm1.0mm0.10，把平行平板，厚度为8-11 一片二氧化钛晶片，其面积为V12电容器两极加上（2）1电容器的两极板紧贴在晶片两侧。求（）电容器的电容；）3电压时，极板上的电荷为多少，此时自由电荷和极化电荷的面密度各为多少？（ 求电容器内的电场强度。?173?其电,二氧化钛相对电容率为解 (1)将平行板电容器充满此介质后

22、. r 13 容?S9?r0F?10?1.53C? dV12 若在电容器两极加上电压，极板上的电荷(2)8?C10CUQ?1.84? 此时极板上自由电荷面密度Q24?m?C?1.84?10 0S 晶片表面极化电荷面密度为?1?2?4?rm?10C1.83? ? 00?r (3) 电容器内的电场强度U15?m?E?1.2?10V d ?3.0?的油槽中，球的一半浸如图所示，球形电极浮在相对电容率为8-12 r6?C?Q2.010，问球的上下没在油中，另一半在空气中，已知电极所带净电荷0 两部分各有多少电荷？ 一半在空,解 由于球形导体一半浸在油中R上下两部分电气中,球面电荷不再是均匀分布导体为一

23、个等, 荷也不相同, 但由于静电平衡?我们可以将导体球等效为两个孤立半球势体, r这两个半球电容器分别处于空, 电容器的并联. 气和油中 处于空气中的上半球的电容为?R2?C? 01 处于油中的下半球的电容为?RC?2? r20Q?Q?QQQ 、，则设这上、下两个半球所带电荷分别为02211 又两个半球电势相等，即CQCQ? 2211 14 由以上两式可得上下两半球所带的电荷分别为C16?1C10Q?0.50?Q?Q? 001?1C?C?r12?C6?r2?QCQ?Q?1.5?10 200?1C?C?r21 dS，现将该电容器接如图，有一空气平板电容器极板面积为，间距为8-13 U）然后平行插

24、入一块面积相同，）充足电后；（2在端电压为的电源上充电。当（1?)?(d将上述电介质换为相同大小的（3厚度为，相对电容率为）的电介质板；rQCE. 导体板时，分别求极板上的电荷和电容器的电容，极板间的电场强度 1）空气平板电容器电容（解 S?S0?C 0dUd?将电容器接在电源上充电，两极板间电势差等于 . 充电后，极板上的电荷为为电源端电压 ?S0UU?Q?C 00d 极板间电场强度为dUE? 0Q 设极板上电荷为则有,(2)插入电介质板后, 两极板间电势差保持不变, 1QQ?11?d?U? ?SSr00?Sr0?QU?C 此时电容器电容为 ?11?d?r?SUr0?Q 极板上电荷为 ?1?

25、dr?UQr1E? 极板间空气中电场强度为 ?1?dS?r0 15 QU?1?E 介质中电场强度为 ?1?dSr0r 此时的电容器相, 导体为等势体, (3)若将介质换为导体板, 达到静电平衡后?d 其电容和极板上的电荷分别为当于极板间距减少为, ?S0?C 2?d?S0UQ? 2?dU?E 空气中电场强度为 2?d?0?E 导体中电场强度为 2 如图所示，在平板电容器中填入两种介质，每一种介质各占一半体积。8-14 ?S?0r2r1?C 试证其电容为 d2S 2S，分此电容器可视为极板面积均为证明 ?dr1r2?、别充满相对电容率为的两个平板电容器的并r1r2 联。 这两个平板电容器的电容分

26、别为?Sr10?C 1d2?Sr20?C 2d2 所以原平板电容器的电容为?S?0r2r1?CCC? 21d2 为了实时检测纺织品、纸张等材料的厚度（待测材料可视为相对电容率8-15 ?为平板BA、为的电介质），通常在生产流水线上设置如图所示的传感装置，其中rd为两极板间的间距。试说明检测原理，并推出直接测量量电电容器的导体极板，0dC之间的函数关系。如果要检测铜板等金属材料的厚度，结与间接测量量厚度容 果又将如何？ 16 d）平行放置于平板电容器两极板间。由8-13 将待测材料（厚度为题第解（2）问可知，此时电容器的电容与材料厚度之间的关系式为 ?Sr0?C ?d?d?d00rC，由上式即可

27、得到待测材料的厚度 当我们直接测得电容?Sr0rd?d ?0?11C?rr以此判断待测材料是否符合要求。 如果要检测金属材料的厚度，同样将材料平行放于电容器两极板间。由8-13题第（3）问可知，此时电容器的电容与材料厚度之间的关系为 ?S0?C dd?0?S0?d?d 0C 0.01mm的聚四氟乙烯薄膜所有一平行平板电容器，8-16 两极板间被厚度为隔开。求该电容器的额定电压。 7?1E?1.9?10V?m, 聚四氟乙烯的击穿电场强度为所以此电容器两极解 bE?E, 同时极板间所能承受的最大电压、板间的电场强度应满足即额定电压的大b小为 U?Ed?190V b 1.5cm40kV，两极间电压为这电容器8-17 一空气平板电容器，空气层厚0.30cm的玻璃板插入此电容器，并与两板平行，若该会被击穿吗？现将一厚度为?1?m?10MV7