第2章习题参考答案

《电磁学》思考题和计算题第二章1习题：１、如图所示，一平行板电容器充电后，Ａ、Ｂ两极板上电荷的面密度分别为σ和－σ。设Ｐ为两板间任一点，略去边缘效应，求：（１）Ａ板上的电荷在Ｐ点产生的电场强度ＥＡ；（２）Ｂ板上的电荷在Ｐ点产生的电场强度ＥＢ；（３）Ａ、Ｂ两板上的电荷在Ｐ点产生的电场强度Ｅ；（４）若把Ｂ板拿走，Ａ板上电荷分布如何？Ａ板上的电荷在Ｐ点产生的电场强度为多少？解：略去边缘效应，两极板上的电荷是均匀分布的电荷，两极板间的电场是均匀电场。由对称性和高斯定理可得（1）Ａ板上的电荷在Ｐ点产生的电场强度eEA02（A板法线方向上的单位矢量，指向B板）；（2）B板上的电荷在Ｐ点产生的电场强度eEB02（3）Ａ、B两板上的电荷在Ｐ点产生的电场强度eEEEBA0（4）Ｂ板拿走后，Ａ板上电荷将均匀分布在两个表面上，面电荷密度减小为一半。在P点产生的场强为两个表面上电荷产生场强的叠加，eEA02※2、证明：对于两个无限大的平行平面带电导体板来说，（１）相向的两面上，电荷的面密度总是大小相等而符号相反；（２）相背的两面上，电荷的面密度总是大小相等而符号相同。（３）若左导体板带电+3微库/米2，右导体板带电+7微库/米2，求四个表面上的电荷。解：由对称性可知，在每个面上，电荷必定都是均匀分布的，在两板间和两板外的电场必定都是均匀电场，电场强度的方向都与板面垂直。（１）作柱形高斯面如图所示，由高斯定理得＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－σ－σAPB12341234σ1σ2σ3σ4《电磁学》思考题和计算题第二章232320)(10SSdES（２）根据无限大带电平面均匀电荷产生电场强度的公式和电场强度的叠加原理，导体内任一点P的电场强度为4143210040302010)(21)(2)(2)(22eeeeeEP（３）应用前述结果及电荷守恒定律SQSQ)()(4322114132解得：2214122132/521/221mCSQQmCSQQ由此可知，当Q1=Q2时，相向的两面上无电荷分布，相背的两面上电荷等量同号；当Q1=-Q2时，相背的两面上无电荷分布，相向的两面上电荷等量异号。3、两平行金属板分别带有等量的正负电荷。两板的电位差为120V，两板的面积都是3.6cm2,两板相距1.6mm。略去边缘效应，求两板间的电场强度和各板上所带的电量。解：（1）两板间电场看作均匀电场，两板的电势差为)/(105.74mVdUUEEdldEUU电场强度的方向由电势高的板指向电势低的板。（2）利用上题结果，相背的两面上没有电荷，相向的两面上电荷面密度大小相等而符号相反。板上的电量为CESSQ100104.2※4、两块带有等量异号电荷的金属板a和b，相距5.0mm，两板的面积均为150cm2,电量的大小都是2.66×10-8C,a板带正电并接地（接地与否对a板的有何影响？）。以地的电位为零，并略去边缘效应，问：（１）b板的电位是多少？（２）a、b间离a板1.0mm处的电位是多少？解：a、b两板上的电荷都均匀分布在相向的两面上，(1)两板间的电场强度为1234σ1σ2σ3σ4ab《电磁学》思考题和计算题第二章3eSQeE00b板的电位为babaabVSQlEdlldEUU30100.10（２）两板之间离a板1.0mm处的电位是42.010PPPbbaalUEdlEdlUVl※5、三平行金属板A、B和C，面积都是200cm2,AB相距4.0mm，AC相距2.0mm，BC两板都接地。如果使A板带正电3.0×10-7C，在略去边缘效应时，问B板和C板上感应电荷各是多少？以地的电位为零，问A板的电位是多少？解：（1）BC两板都接地，故两板上只有向着A的一面有感应电荷。由对称性和高斯定理得00007700三块板上电荷量的关系为由高斯定理得间的电场强度为间的电场强度为()联立解得1.010,2.010CACBABBCABACBCAABABACACCBABABACACABCBACBCQQQABEeACEedUUddQQdQCQC（2）A板的电位为VdSQddEUABBABBABABA300103.2注：A是一个等势体※6、点电荷q处在导体球壳的中心，壳的内外半径分别为R1和R2，求场强和电位的分布，并画出E—r和U—r曲线。解：（1）由高斯定理得场强的分布为CAB2mm4mm《电磁学》思考题和计算题第二章42020404rqEErqE2211RrRrRRr（2）电位分布为rqEldEURqldEURRrqldEUrrr0320221014411142211RrRrRRr（3）E—r和U—r曲线如图所示7、在上题中，若q=4.0×10-10C,R1=2cm，R2=3cm，求：（１）导体球壳的电位；（２）离球心r=1cm处的电位；（３）把点电荷移开球心1cm，求导体球壳的电位。解：（1）导体球壳的电位为VRqldEUR1204202（2）离球心为r处的电位为VRqRrqldEldEURRr3004)11(4201021（3）导体球壳的电位取决于球壳外表面电荷分布所激发的电场，与点电荷在球壳内的位置无关。因此导体球壳电位仍为300V。※8、半径为R1的导体球带有电量q,球外有一个内、外半径分别R2、R3的同心导体球壳，壳上带有电荷Q。（１）求两球的电位U1和U2；R1R2qErR1R2UrR1R2《电磁学》思考题和计算题第二章5（２）两球的电位差△U；（３）以导线把球和壳连在一起后，U1、U2和△U分别是多少？（４）在情形（1）、（2）中，若外球接地，U1、U2和△U分别是多少？（５）设外球离地面很远，若内球接地，情况如何？解：（1）由对称性和高斯定理求得，各区域的电场强度和电位分别为32032212014040RrrQqERrRERrRrqERrE)(4)(4)(141114)(141114304323032130320213032101RrrQqldEURrRRQqldEURrRRQRRrqldEURrRQRRRqldEUrrrr外球电位内球电位（2）两球的电位差为21011421RRqldEURR（3）以导线连接内外球，所有电荷将分布于球壳的外表面上，0430URQqUU外内（4）若外球接地，则情形（1）（2）中球壳内表面带电-q,外表面不带电21022101114011421RRqUURRqldEURR外球电位内球电位（5）内球电位为零。设其上所带电量为q′,31322121023132212102023132212132101)(41)(414104112121RRRRRRRRQUURRRRRRRRQdrrqldEURRRRRRRQRqRQqRqRqldEURRRRR外球电位内球电位R2R3qQR1R1R2R3ErrR1R2R3U《电磁学》思考题和计算题第二章610、设范德格喇夫起电机的球壳与传送带上喷射电荷的尖针之间的电位差为3.0×106V,如果传送带迁移电荷到球壳上的速率为3.0×10-3C/s，则在仅考虑电力的情况下，必须用多大的功率来开动传送带？解：开动传送带的功率至少应等于迁移电荷作功的功率9000AqUNWtt11、德格喇夫起电机的球壳直径为1m。空气的击穿场强为30KV/cm。这起电机最多能达到多高的电位？解：对空间任一点P，球壳所带电荷产生的电场的场强和电位分别为VERUrEUrqUrqE6max020105.1414112、同轴传输线是由两个很长且彼此绝缘的同轴金属直圆柱体构成。设内圆柱体的电位为U1，半径为R1，外圆柱体的电位为U2，内半径为R2，求其间离轴为r处（R1rR2）的电位。解：由高斯定理可解得内圆柱体和外圆柱体之间的电场强度为rerE02设r处的电位为U，则101ln21RrldEUUrR)/ln()/ln()(ln2ln2ln2121211101122101202121RRRrUUURrUURRUURRldEUURR注：学习处理方法13、同轴传输线是由两个很长且彼此绝缘的同轴金属直圆柱体构成。设内圆柱体的半径为R1，外圆柱体的内半径为R2，两圆柱体的电位差为U。求其间离轴为r1和r2处（R1r1r2R2）的电位差。《电磁学》思考题和计算题第二章7解：利用上题结果，离轴为r1和r2处（R1r1r2R2）的电位差为)/ln()/ln(ln212122102121RRrrUrrldEUUrr1201200ln2,ln2,2RRURRUrE121212012lnlnln2RRrrUrrU14、一很长直导线横截面的半径为a，这线外套有内半径为b的同轴导体圆筒，两者互相绝缘，外筒接地，它的电位为零。导线电位为U，求导线和筒间的电场强度分布。解：由高斯定理可求得arb区域内的电场强度为rerE02导线相对于外筒的电位差为)/ln(2)/ln()/ln(2ln2000abrUrEabUabUUabldEUUbaabba------------------------------------------------------------------------------习题：3、面积都是2.0m2的两平行导体板放在空气中相距5.0mm，两板电位差为1000V，略去边缘效应，求：（１）电容C；（２）各板上的电量Q和电荷的面密度σ；（３）板间的电场强度E。解：mVdUEmCSQCCUQFdSC/100.2//108.1/106.3106.35266904、※如附图所示，三块平面金属板A、B、C彼此平行放置，AB之间的距离是BC之间距离的一半。用导线将外侧的两板A、C相联并接地，使中间导体板B带电3μC，三个导体板的六个面上的电荷各为多少？《电磁学》思考题和计算题第二章8解：相当于两个电容器并联CqqCCqqSdqqSdqUUUqqdSCUqdSCBCABBCBCABAB1,232)(221101011010解得0,1,1,2,2,0654321CCCC注：由于接地，0下C上QQA5、如附图所示，一电容器由三片面积都是6.0cm2的锡箔构成，相邻两箔间的距离都是0.10mm，外边两箔片联在一起成为一极，中间箔片作为另一极。（１）求电容C；（２）若在这电容器上加220V的电压，问各箔上电荷的面密度分别是多少？解：2501212110021/1096.1//1007.1/2mCSQSdSUUCQQUUFdSCCC6、如附图所