大学物理(第四版)课后习题及答案_电介质

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电解质

题8.1：一真空二极管，其主要构件是一个半径R1 = 5.0 10 4 m的圆柱形阴极和一个套在阴极外，半径R2 4.5 10 3m的同轴圆筒形阳极。阳极电势比阴极电势高300 V，阴极与阳极的长度均为L = 2.5 10 2 m。假设电子从阴极射出时的速度为零。求：（1）该电子到达阳极时所具有的动能和速率；（2）电子刚从阳极射出时所受的力。 题8.1分析：（1）由于半径R1 L，因此可将电极视作无限长圆柱面，阴极和阳极之间的电场具有轴对称性。从阴极射出的电子在电场力作用下从静止开始加速，电于所获得的动能等于电场力所作的功，也即等于电子势能的减少。由此，可求得电子到达阳极时的动能和速率。

（2）计算阳极表面附近的电场强度，由F qE求出电子在阴极表面所受的电场力。 解：（1）电子到达阳极时，势能的减少量为

Eep eV 4.8 10 17J

由于电子的初始速度为零，故 Eek Eek Eep 4.8 10 17J

因此电子到达阳极的速率为

v

2Eek

m

2eV

1.03 107m s 1 m

（2）两极间的电场强度为

E er

2 0r两极间的电势差

V

R2R1

E dr

R1

R2

R

dr ln2 2 0r2 0R1

负号表示阳极电势高于阴极电势。阴极表面电场强度

E

er

2 0R1

VRR1ln2

R1

er

电子在阴极表面受力

F eE 4.37 10 14erN

－

这个力尽管很小，但作用在质量为9.11 1031 kg的电子上，电子获得的加速度可达重力加

速度的5 1015倍。 题8.2：一导体球半径为R1，外罩一半径为R2的同心薄导体球壳，外球壳所带总电荷为Q，而内球的电势为V0。求此系统的电势和电场的分布。

题8.2分析：不失一般情况，假设内导体球带电q，导体达到静电平衡时电荷的分布如图所示，依照电荷的这一分布，利用高斯定理可求得电场分布。并由vP pE dl或电势叠加求

Q、R1、R2表示。 出电势的分布。最后将电场强度和电势用已知量V0、

题8.2解：根据静电平衡时电荷的分布，可知电场分布呈球对称。取同心球面为高斯面，由高斯定理E dS E r 4 r2 q 0，根据不同半径的高斯面内的电荷分布，解得各区域

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内的电场分布为

r R1时， E1 r 0

R1 r R2时，E2 r r R2时，E2 r

q4 0r2

Q q

4 0r2

由电场强度与电势的积分关系，可得各相应区域内的电势分布。r<R1时，

R1R2 qQ

V1 E dl E1 dl E2 dl E3 dl

rrR1R2

4 0R14 0R2

R1 r R2时，V2 E dl

r

R2r

E2 dl E3 dl

R2

q4 0r

Q4 0R2

r R2时，V3 E3 dl

r

Q q

4 0r

也可以从球面电势的叠加求电势的分布。在导体球内（r<R1）

V1

q4 0R1

q4 0r

Q4 0R2Q4 0R2

在导体球和球壳之间（R1<r<R2）

V2

在球壳外（r>R2）

V3

Q q

4 0r

q4 0R1

Q4 0R2

由题意

V1 V0

得 q 4 0R1V0

R1

Q R2

代人电场、电势的分布得

r R1时，E1 0;V1 V0

R1 r R2时，E2 r R2时，E3

R1V0R1V0 r R1 QR1Q

；V 2

r4 0R2rr24 0R2r2

R1V0 R2 R1 QRV R R1 Q

；V3 10 2 22

r4 0R2rr4 0R2r

题8.3：在一半径为R1 =6.0 cm的金属球A外面套有一个同心的金属球壳B。已知球壳B的内、外半径分别为R2 =8.0 cm，R3 =10.0 cm。设球A带有总电荷QA 3.0 10 8C，球壳B带有总电荷QB 2.0 10 8C。（l）求球壳B内、外表面上所带的电荷以及球A和球壳B的电势；（2）将球壳B接地然后断开，再把金属球A接地，求球A和球壳B内、外表面上所

带的电荷以及球A和球壳B的电势。 题8.3分析：（1）根据静电感应和静电平衡时导体表面电荷分布的规律，电荷QA均匀分布在球A表面，球壳B内表面带电荷 QA，外表面带电荷QB QA，电荷在导体表面均匀分布，

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由带电球面电势的叠加可求得球A和球壳B的电势。

（2）导体接地，表明导体与大地等电势（大地电势通常取为零）。球壳B接地后，外表面的电荷从大地流入的负电荷中和，球壳内表面带电 QA。

断开球壳B的接地后，再将球A接地，此时球A的电势为零。电势的变化必将引起电荷的重新分布，以保持导体的静电平衡、不失一般性可设此时球A带电qA，根据静电平衡时导体上电荷的分布规律，可知球壳B内表面感应 qA，外表面带电qA QA。此时球A的电势可表示为

VA

qA4 0R1

qAq QA

A

4 0R24 0R3

由VA 0可解出球A所带的电荷qA，再由带电球面电势的叠加，可求出球A和球壳B的电势。

解：（1）由分析可知，球A的外表面带电3.0 10 8C，球壳 B内表面带电 3.0 10 8C，外表面带电5.0 10 8C。由电势的叠加，球A和球壳B的电势分别为 VA

VB

QA4 0R1

QAQ QB

A 5.6 103V

4 0R24 0R3

QA QB

4.5 103V

4 0R3

（2）将球壳B接地后断开，再把球A接地，设球A带电qA，球A和球壳B的电势为

VA VB

qA4 0R1

qA QA qA

0

4 0R24 0R3

QA qA

4 0R3

R1R2Q

2.12 10 8C

R1R2 R2R3 R1R3

解得qA

即球A外表面带电2.12 10 8C，由分析可推得球壳B内表面带电 2.12 10 8C，外表面带电 0.9 10 8C。另外球A和球壳B的电势分别为

VA 0

VB 7.92 102V

导体的接地使各导体的电势分布发生变化，打破了原有的静电平衡，导体表面的电荷将重新分布，以建立新的静电平衡。

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题8.4：地球和电离层可当作球形电容器，它们之间相距约为100 km，试估算地球－电离层系统的电容。设地球与电离层之间为真空。

题8.4解：由于地球半径R1 6.37 106m；电离层半径R2 1.00 105m R1 6.47 106m，根据球形电容器的电容公式，可得

C 4 0

R1R2

4.58 10 2F

R2 R1

题8.5：两线输电线，其导线半径为3.26 mm，两线中心相距0.5 m，线位于地面上空很高处，因而大地影响可以忽略。求输电线单位长度的电容 题8.5解：两输电线的电势差

d RU ln

0R因此，输电线单位长度的电容 C

U

0/ln

d Rd

0/ln RR

代人数据

C 4.86 10 12F

题8.6：由两块相距0.50 mm的薄金属板A、B构成的空气平板电容器被屏蔽在一金属盒K

内，金属盒上、下两壁与A、B分别相距0.25 mm，金属板面积为30mm 40mm求：（1）被屏蔽后电容器的电容变为原来的几倍；（2）若电容器的一个引脚不慎与金属屏蔽金相碰，问此时的电容又为原来的几倍。

题8.6分析：薄金属板A、B与金属盒一起构成三个电容器其等效电路图如图所示，由于两导体间距离较小。电容器可视为平板电容器，通过分析等效电路图可求得A、B间的电容。。 解：（1）如图，由等效电路可知 C C23 C1

C2 C3

C1

C2 C3

由于电容器可视作平板电容器，且d1 2d2 2d3，故C2 C3 2C1，因此 A、B间的

总电容

C 2C1

（2）若电容器的一个引脚与屏蔽盒相碰，相当于C2（或者C3）极板短接，其电容为零，则总电容 C 3C1

题8.7：在A点和B点之间有5个电容器，其连接如图所示。（1）求A、B两点之间的等效电容；（2）若A、B之间的电势差为12 V，求UAC、UCD和UDB 。 题8.7解：（1）由电容器的串、并联，有

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CAC C1 C2 12μF CCD C3 C4 8μF

求得等效电容CAB 4μF

（2）由于QAC QCD QDB QAB，得

UAC UCD UDB

CAB

UAB 4V CAC

CAB

UAB 6V CCD

CAB

UAB 2V CCD

题8.8：盖革—米勒管可用来测量电离辐射。该管的基本结构如图所示，一半径为R1的长直导线作为一个电极，半径为R2的同轴圆柱筒为另一个电极。它们之间充以相对电容率 r 1的气体。当电离粒子通过气体时，能使其电离。若两极间有电势差时，极板间有电流，从而可测出电离粒子的数量。如以E1表示半径为R1的长直导线附近的电场强度。（1）求极板间电势的关系式；（2）若E1 2.0 106V m 1,R1 0.30mm,R2 20.0mm，两极板间的电势差为多少？

题8.8解：（1）由上述分析，利用高斯定理可得E 2 rL 则两极板间的电场强度

E

2 0r导线表面（r = R1）的电场强度

E1

2 0R1两极板间的电势差

U

R2R1

1

0

L，

E dr

R2R1

R

dr R1E1ln2 2 0rR1

（2）当E1 2.0 106V m 1,R1 0.30mm,R2 20.0mm时，

U 2.52 103V

题8.9：一片二氧化钛晶片，其面积为1.0 cm2，厚度为0.10 mm。 把平行平板电容器的两

级板紧贴在晶片两侧。（1）求电容器的电容；（2）当在电容器的两板上加上12 V电压时，极板上的电荷为多少时，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？（3）求电容器内的电场强度. 题8.9解：（1）查表可知二氧化钛的相对电容率 r 173，故充满此介质的平板电容器的电容

d

（2）电容器加上U 12V的电压时，极板上的电荷

Q CU 1.84 10 8C

C

r 0S

1.53 10 9F

极板上自由电荷面密度为

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0

Q

1.84 10 4C m 2 S

晶片表面极化电荷密度

4 2

0

1 0 1.83 10C m

1

r

（3）晶片内的电场强度为 E

U

1.2 105V m 1 d

题8.10：如图所示，半径R = 0.10 m的导体球带有电荷Q 1.0 10 8C，导体外有两层均匀介质，一层介质的 r 5.0，厚度d 0.10m，另一层介质为空气，充满其余空间。求：（1）离球心为r = 5 cm、15 cm、25 cm处的 D和E；（2）离球心为r = 5 cm、15 cm、25 cm处的 V；（3）极化电荷面密度 。

题8.10分析：带电球上的自由电荷均匀分布在导体球表面，电介质的极化电荷也均匀分布在介质的球形界面上，因而介质中的电场是球对称分布的

任取同心球面为高斯面，电位移矢量D的通量只与自由电荷分布有关，因此在高斯面D上呈均匀对称分布，由高斯定理D dS q0可得D r 再由E D 0 r可得E r 。 介质内电势的分布，可由电势和电场强度的积分关系V rE dl求得，或者由电势叠加原理求得。

极化电荷分布在均匀介质的表面，其极化电荷体面密度 Pn。 解：（1）取半径为r的同心球面为高斯面，由高斯定理得

r R

D1 4 r2 0 D1 0；E1 0

R r R d，D2 4 r2 Q D2

QQ

；E 2

4 r24 0 rr2

r R d，D3 4 r2 Q D3

QQ

；E 3

4 r24 0r2

将不同的r值代人上述两式，可得r = 5 cm、15 cm和25 cm时的电位移和电场强度的大小，其方向均沿径向朝外。r1 = 5 cm，该点在导体球内，则

Dr1 0；Er1 0

r2 = 15 cm，该点在介质层内， r 5.0，则

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Dr2 Er2

Q4 r

22

3.5 10 8C m 2

Q4 0 rrQ4 rQ4 0r

2203

2

8.0 103V m 1

r3 = 25 cm，该点在空气层内，空气中 0，则 Dr3 Er3

1.3 10 8C m 2

1.4 103V m 1

（2）取无穷远处电势为零，由电势与电场强度的积分关系得

Q

r3 25cm,V3 E3 dr 360V 2r1

4 0rr2 15cm,V2

R dr2

E2 dr

R d

E3 dr

QQ

480V4 0 rr24 0 rR d4 0R dr1 5cm,V1

R dR

Q

Q

540V4 0 rR4 0 rR d4 0R dQ

Q

E2 dr

R d

E3 dr

（3）均匀介质的极化电荷分布在介质界面上，因空气的电容率 0，极化电荷可忽略。

r 1 Q

故在介质外表面；Pn r 1 0En 2

4 rR d Pn

r 1 Q

2

4 rR d 1.6 10 8C m 2

在介质内表面：Pn r 1 0En Pn

4 rR2

r 1 Q

4 rR2

r 1 Q 6.4 10 8C m 2

介质球壳内、外表面的极化电荷面密度虽然不同，但是两表面极化电荷的总量还是等量异号。

题8.11：一平板电容充电后极板上电荷面密度为 0 4.5 10 3C m 2。现将两极板与电源断开，然后再把相对电容率为 r 2.0的电介质插人两极板之间。此时电介质中的D、E和P各为多少？

题8.11解：介质中的电位移矢量的大小 D

Q

0 4.5 10 5C m 2 S

介质中的电场强度和极化强度的大小分别为

QE 2.5 106V m 1

0 r

P D 0E 2.3 10 5C m 2

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D、P、E方向相同，均由正极板指向负极板（图中垂直向下）。

题8.12：在一半径为R1的长直导线外，套有氯丁橡胶绝缘护套，护套外半径为R2，相对电容率为 r。设沿轴线单位长度上，导线的电荷密度为 。试求介质层内的D、E和P。 题8.12解：由介质中的高斯定理，有

D dS D 2 rL L

得D

er 2 r

在均匀各向同性介质中

D E er

0 r2 0 rr

1

P D 0E 1

r

2 rer

题8.13：设有两个薄导体同心球壳A与B，它们的半径分别为R1 = 10 cm与R3 = 20 cm，并分别带有电荷 4.0 10 8C与1.0 10 7C。球壳间有两层介质内层介质的 r1 4.0，外层介质的 r2 2.0，其分界面的半径为R2 = 15 cm。球壳B外为空气。求（1）两球间的电势差UAB；（2）离球心30 cm处的电场强度；（3）球A的电势。

题8.13分析：自由电荷和极化电荷均匀分布在球面上。电场呈球对称分布。取同心球面为高斯面，根据介质中的高斯定理可求得介质中的电场分布。

由电势差和电场强度的积分关系可求得两导体球壳间的电势差，由于电荷分布在有限空间，通常取无穷远处为零电势，则A球壳的电势 VA AE dl

解：（1）由介质中的高斯定理，有

D dS D 4 r

2

Q1

得 D1 D2

E1 E2

D1

Q1

er 4 r2

Q1

erer

R1 r R2 R2 r R3

0 r1

D2

4 0 r1r2

Q14 0 r2r2

R2

0 r2

R3R1

两球壳间的电势差

UAB

E dl E1 dl

R1

R3R2

E2 dl

1Q11 4 0 r1 R1R2 4 0 r2

Q1

11

R R

3 2

（2）同理由高斯定理可得

E3

Q1 Q24 0r

2

er 6.0 103erV m 1

（3）取无穷远处电势为零，则

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VA UAB E3 dl UAB

B

Q1 Q2

2.1 103V

4 0 r1

题8.14：如图所示，球形电极浮在相对电容率为 r 3.0的油槽中。球的一半浸没在油中，另一半浸入在油中，另一半在空气中。已知电极所带净电荷Q0 2.0 10 6C。问球的上、下部分各有多少电荷？

题8.14分析：我们可以将导体球理解为两个分别悬浮在油和空气中的半球形孤立容器，静电平衡时导体球上的电荷分布使导体成为等势体，故可将导体球等效为两个半球电容并联，其相对无限远处的电势均为V，且

QQ

V 1 2（1）

C1C2另外导体球上的电荷总量保持不变，应有

Q1 Q2 Q0 （2）

因而可解得Q1、Q2.

解：将导体球看作两个分别悬浮在油和空气中的半球形孤立电容器，上 半球在空气中，电容为

C1 2 0R

下半球在油中，电容为 C2 2 0 rR

由分析中式（1）和式（2）可解得

Q1 Q2

C11

Q0 Q0 0.50 10 6C

C1 C2 r 1C2 r

Q0 Q0 1.5 10 6C

C1 C2 r 1

E0

由于导体球周围部分区域充满介质，球上电荷均匀分布的状态将改变。可以证明，此时介质中的电场强度与真空中的电场强度也不再满足E

r

的关系。事实上，只有当电介质均匀

E0

充满整个电场，并且自由电荷分布不变时，才满足E

r

.

题8.15：有一个空气平极电容器，极板面积为S，间距为d。现将该电容器接在端电压为U的电源上充电，当（1）充足电后；（2）然后平行插入一面积相同、厚度为 d 、相对电容率为 r的电介质板；（3）将上述电介质换为同样大小的导体板。分别求电容器的电容C，极板上的电荷Q和极板间的电场强度E。

题8.15分析：电源对电容器充电，电容器极板间的电势差等于电源端电压U。插入电介质后，由于介质界面出现极化电荷，极化电荷在介质中激发的电场与原电容器极板上自由电荷激发的电场方向相反，介质内的电场减弱。由于极板间的距离d不变，因而与电源相接的导体极板将会从电源获得电荷，以维持电势差不变，并有

Q

U d Q

0S 0 rS 相类似的原因，在平板电容器极板之间，若平行地插入一块导体板，由于极板上的自由

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电荷和插人导体板上的感应电荷在导体板内激发的电场相互抵消，与电源相接的导体极板将会从电源获得电荷，使间隙中的电场E增强，以维持两极板间的电势差不变，并有

Q

U d

0S 综上所述，接上电源的平板电容器，插人介质或导体后，极板上的自由电荷均会增加，而电势差保持不变。 解：（l）空气平板电容器的电容

C0

0Sd

充电后，极板上的电荷和极板间的电场强度为 Q0

0Sd

U

E0

U

d

（2）插入电介质后，电容器的电容C1为

Q 0 rSQ

C1 Q/ d S d S0rr 0

故有

Q1 C1U

0 rSU

rd U

rd 介质内电场强度

E1

Q1

0 rS

空气中的电场强度

Q rUE1 1

0S rd （3）插人导体达到静电平衡后，导体为等势体，其电容和极板上的电荷分别为 C2 Q2

0S

d

0S

U d

0 导体中的电场强度E0空气中的电场强度E2

U

d

题8.16：如图所示，在平板电容器中填入两种介质，每种介质各占一半体积，试证其电容为 C

0S r1 r2d

2

题8.16证1：将此电容器视为极板面积均为S2，分别充满相对电容率为 r1和 r2的电介质的两个平板电容器并联，则 C C1 C2

0 r1S

2d

0 r2S

2d

0S r1 r2

d

2

证2：假设电容器极板上带电荷 Q，则由于电容器两侧所填充的电介质的电容率不同，故导体极板上自由电荷的分布不均匀。设介质Ⅰ侧导体极板带电荷Q1，介质Ⅱ侧导体极板带电

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荷Q2，在导体达到静电平衡时，导体极板为等势体， 故有

2Q2d 2Q1d

0 r1S 0 r2S Q Q Q

2 1

解得Q1

Q2 U

r1

Q

r1 r2

r2

Q

r1 r2

2Q1d2Qd

0 r1S 0S r1 r2

C

Q 0S r1 r2

Ud2

题8.17：为了实时检测纺织品、纸张等材料的厚度（待测材料可视作相对电容率为 r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A、B为平板电容器的导体极板，d0为两极板间的距离。试说明检测原理，并推出直接测量电容C与间接测量厚度d之间的函数关系。如果要检测钢板等金属材料的厚度，结果又将如何？ 题8.17解：由分析可知，该装置的电容为

0 rS

C

d rd0 d则介质的厚度为

dC 0 rS S r

d0 0r d r0

r 1C r 1C r 1 如果待测材料是金属导体，其等效电容为 S

C 0

d0 d导体材料的厚度 d d0

0SC

实时地测量A、B间的电容量C，根据上述关系式就可以间接地测出材料的厚度、通常智能化的仪表可以实时地显示出待测材料的厚度。

题8.18：利用电容传感器测量油料液面高度。其原理如图所示，导体圆管A与储油随B相连，圆管的内径为D，管中心同轴插入一根外径为d的导体棒C，d、D均远小于管长L并且相互绝缘。试征明：当导体团管与导体棒之间接以电压为U的电源时，圆管上的电荷与液面高度成正比（油料的相对电容率为 r）。 题8.18分析：由于d、D<<L，导体A、C构成圆柱形电容器，可视为一个长X（X为液面高度）的介质电容器C1和一个长L X的空气电容器C2的并联，它们的电容值均随X而改变。因此其等效电容C = C1+C2也是X的函数。由于Q = CU，在电压一定时，电荷Q仅随C而变化，求出Q与液面高度 X的函数关系，即可得证

证：由分析知，导体A、C构成一组柱形电容器，它们的电容分别为

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C1

2 0 rX

Dlnd2 0 L X

lnd

C2

其总电容

C C1 C2

2 0 rX2 0 L X X

DDlnlndd

其中

2 0L2 0 r 1 ; DDlnlndd

Q CU U UX

即导体管上所带电荷Q与液面高度X成正比，油罐与电容器联通。两液面等高，测出

电荷Q即可确定油罐的液面高度。

题8.19：有一平行平板电容器，两极板间被厚度为0.01 nm的聚四氯乙烯薄膜所隔开，求该电容器的额定电压。

－

题8.19解：查表可知聚四氯乙烯的击穿电场强度Eb = 1.9 107 V m1。当电容器不被击穿时，电容器中的电场强度E Eb。因此，由均匀电场中电势与电场强度的关系，可得电容器上最大电势差（即额定电压）为

Umax Ebd 190V

题8.20：空气中半径分别为1.0 cm和0.10 cm的长直导线上，导体表面电荷面密度最大为多少？

题8.20解：设长直导线上单位长度所带电荷为 ，则导线周围的电场强度为

E

2 r 0 0

。显然，在导线表面附近电场强度最大，查表可知空2 r－

气的击穿电场强度Eb = 3.0 106 V m1，只有E Eb，空气才不会被击穿，故 的极限值

式中导体表面电荷面密度 m 0Eb 2.66 10 5C m 2

显然，它与导线半径无关。 题8.21：一空气平板电容器，空气层厚 1.5 cm，两极间电压为40 kV，该电容器会被击穿吗？现将一厚度为0.30 cm的玻璃板插入此电容器，并与两极平行，若该玻璃的相对电容率为 7.0，击穿电场强度为10 MV m 1。则此时电容器会被击穿吗？ 题8.21解：未插入玻璃时，电容器内的电场强度为

E Ud 2.7 106V m 1

因空气的击穿电场强度Eb = 3.0 106 V m1，E Eb故电容器不会被击穿

－

插人玻璃后，由习题8.15可知，空气间隙中的电场强度

鄙视赚积分的

E

rV

3.2 106V m 1

rd

此时，因E Eb，空气层被击穿。击穿后40 kV电压全部加在玻璃板两侧，此时玻璃板内的电场强度

V

，玻璃也将相继被击穿，电容器完全被由于玻璃的击穿电场强度E b = 10 MV m 1，故E Eb

击穿。

－

题8.22：某介质的相对电容率 r 2.8，击穿电场强度为18 106 V m1，如果用它来作平板电容器的电介质，要制作电容为0.047 μF，而耐压为4.0 kV的电容器，它的极板面积至少要多大。

题8.22解：介质内电场强度

E Eb 18 106V m 1

E 1.3 107V m 1

电容耐压Um = 4.0 kV，因而电容器极板间最小距离

d UmEb 2.22 10 4m

要制作电容为0.047 μF的平板电容器，其极板面积

Cd

S 0.42m2

0 r

显然，这么大的面积平铺开来所占据的空间太大了，通常将平板电容器卷叠成筒状后再封装。

题8.23：一平行板空气电容器，极板面积为S，极板间距为d，充电至带电Q后与电源断开，然后用外力缓缓地把两极板间距拉开到2d。求：（1）电容器能量的改变；（2）此过程中外力所作的功，并讨论此过程中的功能转换关系。 题8.23解：（1）极板间的电场为均匀场，且电场强度保持不变，因此，电场的能量密度为

1Q22

we 0E

22 0S2

在外力作用下极板间距从d被拉开到2d。电场占有空间的体积，也由V增加到2V，此

时电场能量增加。

Q2d

We we V

2 0S

（2）两导体极板带等量异号电荷，外力F将其缓缓拉开时，应有F = F 则外力所作的功为

Q2d

A Fe r QEd

2 0S

外力克服静电引力所作的功等于静电场能量的增加。

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