第8章电容器与电场的能量精选文档.ppt
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1、第8章电容器与电场的能量本讲稿第一页,共五十六页 例例 一无限大各向同性均匀介质平板,厚度为一无限大各向同性均匀介质平板,厚度为 d,相对介电常数为相对介电常数为 r,内部均匀分布体电荷密度为内部均匀分布体电荷密度为 0 的自由电荷。的自由电荷。求:介质板内、外的求:介质板内、外的 、。解:解:带电体有面对称,故带电体有面对称,故 S以以 x=0 处的面为对称,过场点作正柱形高斯处的面为对称,过场点作正柱形高斯面面 S,设底面积为设底面积为 S0S0=0=2DS0垂直于平板。垂直于平板。本讲稿第二页,共五十六页均匀场均匀场=0SS0本讲稿第三页,共五十六页B在一点电荷产生的静电场中,一块电介在
2、一点电荷产生的静电场中,一块电介质如图放置,以点电荷所在处为球心作质如图放置,以点电荷所在处为球心作一球形闭合面,则对此球形闭合面:一球形闭合面,则对此球形闭合面:(A)高斯定理成立,且可用它求出闭合面上高斯定理成立,且可用它求出闭合面上各点的场强。各点的场强。(B)高斯定理成立,但不能用它求出闭合面高斯定理成立,但不能用它求出闭合面上各点的场强。上各点的场强。(C)由于电介质不对称分布,高斯定理不由于电介质不对称分布,高斯定理不成立。成立。(D)即使电介质对称分布,高斯定理也即使电介质对称分布,高斯定理也不成立。不成立。电介质电介质q本讲稿第四页,共五十六页例例 带电金属球带电金属球(R,q
3、),浸在油中,浸在油中(r),求球外的场强及,求球外的场强及金属球表面处油面上的束缚电荷金属球表面处油面上的束缚电荷 q。解:在介质内作高斯面解:在介质内作高斯面 S 由对称性由对称性(q 与与 q反号反号)+RrSq另一种另一种解法见下解法见下页页本讲稿第五页,共五十六页qq Rr解解:利用:利用 的高斯定理的高斯定理高高斯斯面面例例 一个带正电的金属球,半径为一个带正电的金属球,半径为 R,电量为,电量为 q,浸在油中,浸在油中,油的相对介电常数为油的相对介电常数为 r,求球外的电场分布以及贴近,求球外的电场分布以及贴近金属球表面上的束缚电荷金属球表面上的束缚电荷 q。可见,当带电体周围充
4、满电介质时,场强减弱为真空可见,当带电体周围充满电介质时,场强减弱为真空时的时的 倍。倍。本讲稿第六页,共五十六页B一一导导体体球球外外充充满满相相对对介介电电常常数数为为 r 的的均均匀匀电电介介质质,若若测测得得导导体体表表面面附附近近 场场 强强 为为 E,则则 导导 体体 球球 面面 上上 的的 自自 由由 电电 荷荷 面面 密密 度度 为为 (A)0 E(B)0 r E(C)r E(D)(0 r-0)E C在在空空气气平平行行板板电电容容器器中中,平平行行地地插插上上一一块块各各向向同同性性均均匀匀电电介介质质板板,如如图图所所示示。当当电电容容器器充充电电后后,若若忽忽略略边边缘缘
5、效效应应,则则电电介介质质中中的的场场强强 与空气中的场强与空气中的场强 相比较,应有相比较,应有(A)EE0,两者方向相同。两者方向相同。(B)EE0,两者方向相同。,两者方向相同。(C)EE0,两者方向相同。两者方向相同。(D)EE0,两者方向相反。,两者方向相反。本讲稿第七页,共五十六页例例 两平行放置的金属板间原为真空,分别带等量异号电荷两平行放置的金属板间原为真空,分别带等量异号电荷+s s0、-s s0,板间电压为,板间电压为 U0,保持板上电荷不变,将板间一半空间充入介,保持板上电荷不变,将板间一半空间充入介质质(r),求:板间电压。,求:板间电压。解:作高斯面解:作高斯面=0=
6、0D DSd+s s0-s s0+s s1+s s2S+-+本讲稿第九页,共五十六页+s s0+D DSd-s s0+s s1+s s2S-本讲稿第十页,共五十六页 例例 导体球导体球(Q)置于均匀各向同性介质中,如图示置于均匀各向同性介质中,如图示求:求:场的分布。场的分布。解:解:S1)1)作高斯面作高斯面 S由对称性由对称性R0R1R2r R0 导体内部导体内部E1=0P1=0R0 r R1,r1 内内本讲稿第十一页,共五十六页R1 r R2P4=0本讲稿第十二页,共五十六页 8.4.1 孤立导体的电容孤立导体的电容电容只与几何因素和介质有关电容只与几何因素和介质有关 固有的容电本领固有
7、的容电本领3.单位单位:1.孤立导体的电势孤立导体的电势2.定义定义8.4 电容器、电容电容器、电容(Capacitors and Capacitance)法拉法拉()()微法微法()皮法皮法()1 F=10-6F 1pF=10-12F 本讲稿第十三页,共五十六页欲得到欲得到1F的电容,孤立导体球的半径的电容,孤立导体球的半径R为多少?为多少?例例求真空中孤立导体球的电容。求真空中孤立导体球的电容。设球带电为设球带电为Q解:解:导体球电势导体球电势导体球电容导体球电容介质介质几何几何由孤立导体球电容公式知由孤立导体球电容公式知R问问题题本讲稿第十四页,共五十六页腔内导体的表面与壳的内腔内导体的
8、表面与壳的内表面的形状及相对位置表面的形状及相对位置8.4.2 电容器的电容电容器的电容1.电容器电容器:2.电容:电容:由由静静电电屏屏蔽蔽可可知知:导导体体壳壳内内部部的的场场只只由由腔腔内内的的电电量量Q和和几几何何条条件及介质决定件及介质决定(相当于孤立相当于孤立)内表面内表面-QQ电介质电介质由两块用电介质隔开的金属极板构成。它由两块用电介质隔开的金属极板构成。它们彼此靠得很近,使们彼此靠得很近,使两板间电场不受外部带电体的影响两板间电场不受外部带电体的影响。电。电介质既起绝缘作用又起增大电容的作用。介质既起绝缘作用又起增大电容的作用。本讲稿第十五页,共五十六页典型的电容器典型的电容
9、器平行板平行板d球形球形柱形柱形3.电容器电容的计算电容器电容的计算设设Q电容的计算电容的计算R1R2R1R2U本讲稿第十六页,共五十六页(1)平行板电容器平行板电容器(忽略边缘效应忽略边缘效应)+-dSS本讲稿第十七页,共五十六页(2)圆柱形电容器圆柱形电容器设外筒内表面和内筒外表面分别带电设外筒内表面和内筒外表面分别带电-Q和和+Q,忽略边缘效应。,忽略边缘效应。R1R2本讲稿第十八页,共五十六页(3)球形电容器球形电容器令令OR1孤立导体球的电容孤立导体球的电容OR1R2本讲稿第十九页,共五十六页串联:串联:C1C2各电容器所带电量相等,各电容器所带电量相等,总电压为各电容器电压之和总电
10、压为各电容器电压之和并联:并联:C1C2各电容器电压相等,各电容器电压相等,总电量总电量 Q 为各电容器电量之和为各电容器电量之和UQ-Q-QQ8.4.3电容器的连接电容器的连接一、电容器的串、并联一、电容器的串、并联本讲稿第二十页,共五十六页二、二、电容器的两个主要指标:电容器的两个主要指标:电容、耐压能力电容、耐压能力 电介质的击穿电介质的击穿在强电场作用下,电介质分子中的正负电荷变成可以自由移动在强电场作用下,电介质分子中的正负电荷变成可以自由移动的电荷,电介质变为导体。的电荷,电介质变为导体。击穿场强击穿场强:电介质材料所能承受的不被击穿的最大场强。:电介质材料所能承受的不被击穿的最大
11、场强。也叫也叫介电强度介电强度。电容器是一种常用的电工和电子学元件。电容器是一种常用的电工和电子学元件。如:在交流电路中电流和电压的控制;如:在交流电路中电流和电压的控制;发射机中振荡电流产生;发射机中振荡电流产生;接收机中的调谐;接收机中的调谐;整流电路中的滤波等等。整流电路中的滤波等等。三、三、电容器的应用电容器的应用并并联联时时总总电电容容增增大大,但但电电容容器器组组的的耐耐压压能能力力取取决决于于耐耐压压能能力力最低的电容;最低的电容;串联时总电容减小,但电容器组的耐压能力提高了。串联时总电容减小,但电容器组的耐压能力提高了。本讲稿第二十一页,共五十六页 例例(习题习题8-178-1
12、7)求平行板电容器的电容。求平行板电容器的电容。解:解:1.设设 QQs s-Q-s s2.求求 E两极板间:两极板间:D=s s133.求求 U4.求求 CABS rldDS右底右底=s s S右底右底2本讲稿第二十二页,共五十六页讨论讨论1.两极板间介质充满两极板间介质充满 l=d2.介质为空气介质为空气3.C 可视厚度为可视厚度为(d-l)的空气平行板电容器和的空气平行板电容器和厚度为厚度为 l 的介质平行板电容器的串联的介质平行板电容器的串联 本讲稿第二十三页,共五十六页若把电介质板换成金属板,在缝内若把电介质板换成金属板,在缝内在金属板内在金属板内两板电势差两板电势差电电介介质质板板
13、换换成成金金属属板板后后,电电容容增增大大了了,但但为为了了绝缘,仍需放电介质。绝缘,仍需放电介质。ldSS本讲稿第二十四页,共五十六页讨论讨论dS r r1 r2 S d1d2极板极板电介质电介质x思考思考本讲稿第二十五页,共五十六页(2)圆柱形电容器圆柱形电容器设外筒内表面和内筒外表面分别带电设外筒内表面和内筒外表面分别带电 Q 和和+Q,忽略边缘效应。,忽略边缘效应。R1R2本讲稿第二十六页,共五十六页例例 圆柱形电容器。半径为圆柱形电容器。半径为 R1、R2,长为,长为 l 的圆筒形导体的圆筒形导体(l R1、R2),其间充有半径为,其间充有半径为 a、b、长为、长为 l 的同轴圆柱形
14、电介的同轴圆柱形电介质质(),求:,求:C。123+Q-Q解:设解:设 Q,R1R2ab123由由 的高斯定理:的高斯定理:本讲稿第二十七页,共五十六页讨论讨论(1)充满介质充满介质 a=R1,b=R2(2)空气空气(3)C 相当于三个电容的串联相当于三个电容的串联本讲稿第二十八页,共五十六页例例 神神经经细细胞胞可可以以传传递递电电信信号号。如如图图所所示示神神经经细细胞胞由由带带树树突突的的细细胞胞体体和和轴轴突突组组成成,它它连连接接着着人人大大脚脚趾趾的的压压力力感感觉觉细细胞胞和和脊脊髓髓中中的的神神经经,信信号号由由树树突突进进入入细细胞胞体体,再再从从轴轴突突传传递递出出去去。这
15、这种种神神经经细细胞胞的的轴轴突突像像一一个个由由薄薄膜膜构构成成的的细细长长管管子子,半半径径为为 5 m,长长度度为为 1 m,膜膜的的厚厚度度为为 8.0 nm,膜膜的的相相对对介介电电常常数数为为 7。已已知知轴轴突突膜膜内内外外侧侧具具有有 90 mV 电电势势差差。求求:轴轴突突膜膜内内外外侧侧所所带带电电荷荷电量是多少?电量是多少?本讲稿第二十九页,共五十六页轴突轴突树突树突细胞体细胞体解解:膜的厚度与轴突半径相比非常小,所以膜的任:膜的厚度与轴突半径相比非常小,所以膜的任一小部分都可看成平面,因此可以把轴突等效成平一小部分都可看成平面,因此可以把轴突等效成平行板电容器。行板电容
16、器。利用柱形电容器及利用柱形电容器及 的高斯定理计算答案相同。的高斯定理计算答案相同。本讲稿第三十页,共五十六页电容法在非电量电测法中的应用电容法在非电量电测法中的应用 电容法测液面高度电容法测液面高度 在在被被测测液液体体介介质质中中放放入入两两个个同同轴轴圆圆筒筒形形极极板板。大大圆圆筒筒内内半半径径为为 R,小小圆圆筒筒外外半半径径为为 r,圆圆筒筒的的高高度度为为 H,该该圆圆柱柱形形电电容容器器的的电电容容量量随随筒筒内内液液面面高高度度 h 的的变变化化而而改改变变。试试写写出出电电容容量量 C 与与液面高度液面高度 h 的关系式。的关系式。0hH2R2r r本讲稿第三十一页,共五
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