三章习题解答
3.1 真空中半径为a 的一个球面,球的两极点处分别设置点电荷q 和q -,试计算球赤道平面上电通密度的通量Φ(如题3.1图所示)。
解 由点电荷q 和q -共同产生的电通密度为
33[]4q R R π+-
+-
=
-=R R D 22322232()
(){}4[()][()]
r z r z r z a r z a q r z a r z a π+-++-+-++e e e e 则球赤道平面上电通密度的通量
d d z
z S
S
S Φ====??D S D e
22322232
()[]2d 4()()a
q a a
r r r a r a π
π--=++? 2212
1)0.293()a
qa
q q r a =-=-+ 3.2 1911年卢瑟福在实验中使用的是半径为a r 的球体原子模型,其球体内均匀分布有总电荷量为Ze -的电子云,在球心有一正电荷Ze (Z 是原子序数,e 是质子电荷量),通过实验得到球体内的电通量密度表达式为02314r
a Ze r r r π??
=- ???
D e ,试证明之。 解 位于球心的正电荷Ze 球体内产生的电通量密度为 12
4r
Ze
r π=D e 原子内电子云的电荷体密度为 33
3434a a Ze Ze
r r ρππ=-
=- 电子云在原子内产生的电通量密度则为 3223
4344r r a
r Ze r
r r ρπππ==-D e e 故原子内总的电通量密度为 122314r
a Ze r r r π??
=+=- ???
D D D e 3.3 电荷均匀分布于两圆柱面间的区域中,体密度为3
0C m ρ, 两圆柱
面半径分别为a 和b ,轴线相距为c )(a b c -<,如题3.3图()a 所示。求空间各部分的电场。
解 由于两圆柱面间的电荷不是轴对称分布,不能直接用高斯定律求解。但可把半径为a 的小圆柱面内看作同时具有体密度分别为0ρ±的两种电荷分布,这样在半径为b 的整个圆柱体内具有体密度为0ρ的均匀电荷分布,而在半径为a 的整个圆柱体内则具有体密度为0ρ-的均匀电荷分布,如题3.3图()b 所示。空间任一点的电场是这两种电荷所产生的电场的叠加。
在b r >区域中,由高斯定律0
d S
q
ε=
?E S ,可求得大、小圆柱中的正、负电荷在点P
产生
题3.1 图
题3. 3
图()a
的电场分别为 2200120022r
b b r r πρρπεε==r E e 220012
0022r a a r r πρρπεε'
-''==-''r E e 点P 处总的电场为 2211
220()2b a r r ρε''=+=-'
r r E E E 在b r <且a r >'区域中,同理可求得大、小圆柱中的正、负电荷在点P 产生的电场分别为
220022r r r πρρπεε==r E e 2222
0022r a a r r
πρρπεε'
-''==-''r E e 点P 处总的电场为 2022
20()2a r ρε''=+=-'
r E E E r 在a r <'的空腔区域中,大、小圆柱中的正、负电荷在点P 产生的电场分别为
20030022r r r πρρπεε==r E e 2003
00
22r r r πρρπεε''
-''==-'r E e 点P 处总的电场为 0033
00
()22ρρεε''=+=-=E E E r r c 3.4 半径为a 的球中充满密度()r ρ的体电荷,已知电位移分布为
3254
2
()()
r r Ar r a D a Aa r a r ?+≤?
=?+≥?
? 其中A 为常数,试求电荷密度()r ρ。
解:由ρ?=D ,有 2
2
1d ()()d r r r D r r
ρ=?=D 故在r a <区域 23
220
02
1d ()[()](54)d r r r Ar r Ar r r
ρεε=+=+ 在r a >区域 54
2
022
1d ()()[]0d a Aa r r r r r
ρε+== 3.5 一个半径为a 薄导体球壳内表面涂覆了一薄层绝缘膜,球内充满总电荷量为Q 为的体
电荷,球壳上又另充有电荷量Q 。已知球内部的电场为4
()r r a =E e ,设球内介质为真空。计算:(1) 球内的电荷分布;(2)球壳外表面的电荷面密度。
解 (1) 由高斯定律的微分形式可求得球内的电荷体密度为
题3. 3图()b
=
+
20021d [()]d r E r r ρεε=?==E 43
2002441d [()]6d r r r r r a a
εε=
(2)球体内的总电量Q 为 322
0040
d 64d 4a
r Q r r a a τρτεππε===??
球内电荷不仅在球壳内表面上感应电荷Q -,而且在球壳外表面上还要感应电荷Q ,所以
球壳外表面上的总电荷为2Q ,故球壳外表面上的电荷面密度为 02
224Q
a
σεπ== 3.6 两个无限长的同轴圆柱半径分别为r a =和r b =()b a >,圆柱表面分别带有密度为1σ和2σ的面电荷。(1)计算各处的电位移0D ;(2)欲使r b >区域内00=D ,则1σ和2σ应具
有什么关系?
解 (1)由高斯定理
d S
q =?D
S ,当r a <时,有 01
0=D
当a r b <<时,有 02122rD a ππσ= ,则 1
02r
a r
σ=D e 当b r <<∞时,有 0312222rD a b ππσπσ=+ ,则 12
03r a b r
σσ+=D e (2)令 12
030r
a b r
σσ+==D e ,则得到 12b a σσ=- 3.7 计算在电场强度x y y x =+E e e 的电场中把带电量为2C μ-的点电荷从点1(2,1,1)P -移到点2(8,2,1)P -时电场所做的功:(1)沿曲线2
2x y =;(2)沿连接该两点的直线。
解 (1)d d d d x y C
C
C W q q E x E y ===+=???
F l E l
2
2
2
1
d d d(2)2d C
q y x x y q y y y y +=+=??2
261
6d 142810()q y y q J -==-??
(2)连接点1(2,1,1)P -到点2(8,2,1)P -直线方程为
28
12
x x y y --=-- 即 640x y -+= 故W =2
1
d d d(64)(64)d C
q y x x y q y y y y +=-+-=??2
6
1
(124)d 142810()q y y q J --==-??
3.8 长度为L 的细导线带有均匀电荷,其电荷线密度为0l ρ。(1)计算线电荷平分面上任意
点的电位?;(2)利用直接积分法计算线电荷平分面上任意点
的电场E ,并用?=-?E 核对。
解 (1)建立如题3.8图所示坐标系。根据电位的积分表
达式,线电荷平分面上任意点P 的电位为
2
(,0)L L r ?-'
=
=?
L r
ρ
04l ρπε=
02l ρπε(2)根据对称性,可得两个对称线电荷元z l 'd 0ρ在点P 的电场为
d d r r r
E θ'
===E e
e 02232
0d 2()l r
r z r z ρπε'
'+e
故长为L 的线电荷在点P 的电场为
2
0223200
d d 2()L l r r z r z ρπε'
==='+??
E E
e 200
02L l r r ρπε'
=e
r
e 由?=-?E 求E ,有
002l ρ?πε?
?=-?=-?=??
??
E (00d ln 2ln 2d l r
L r r ρπε??--=?
???e
0012l r r ρπε??
?-=??
?
e r e 3.9 已知无限长均匀线电荷l ρ的电场02l
r r ρπε=E e ,试用定义式()d P
r r
r ?=?E l 求其电
位函数。其中P r 为电位参考点。
解
000
()d d l n l n 222P
P
P
r
r r
l l l P
r
r
r
r r r r r r
ρρρ?πεπεπε
====??
E l 由于是无限长的线电荷,不能将P r 选为无穷远点。
3.10 一点电荷q +位于(,0,0)a -,另一点电荷2q -位于(,0,0)a ,求空间的零电位面。 解 两个点电荷q +和2q -在空间产生的电位
1(,,)4x y z ?πε=
令(,,)0x y z ?=,则有
0=
即 2222224[()]()x a y z x a y z +++=-++
故得 222254()()33x a y z a +++= 由此可见,零电位面是一个以点5(,0,0)3a -为球心、4
3
a 为半径的球面。
3.11 证明习题3.2的电位表达式为 2013
()()422a a
Ze r r r r r ?πε=
+- 解 位于球心的正电荷Ze 在原子外产生的电通量密度为 124r
Ze
r
π=D e 电子云在原子外产生的电通量密度则为 3222
4344a r r r Ze
r r
ρπππ==-D e e 所以原子外的电场为零。故原子内电位为
23001
1()d ()d 4a
a r r
a
r r Ze r
r D r r r r ?επε==-=??2013()422a a Ze r r r r πε+- 3.12 电场中有一半径为a 的圆柱体,已知柱内外的电位函数分别为
2
()0
()()cos r r a a r A r r a r
??φ=≤??
?=-≥?? (1)求圆柱内、外的电场强度;
(2)这个圆柱是什么材料制成的?表面有电荷分布吗?试求之。
解 (1)由?=-?E ,可得到 r a <时, 0?=-?=E
r a >时, ?=-?=E 22
[()cos ][()cos ]r a a A r A r r r r r
φφφφ??----=??e e
22
22(1)cos (1)sin r a a A A r r
φφφ-++-e e
(2)该圆柱体为等位体,所以是由导体制成的,其表面有电荷分布,电荷面密度为
0002cos r r a r a A σεεεφ=====-n E e E
3.13 验证下列标量函数在它们各自的坐标系中满足20??= (1)sin()sin()hz
kx ly e
- 其中222h k l =+;
(2)[cos()sin()]n
r n A n φφ+ 圆柱坐标;
(3)cos()n
r n φ- 圆柱坐标;
(4)cos r φ 球坐标;
(5)2
cos r
φ- 球坐标。
解 (1)在直角坐标系中 2222
222
x y z ???
?????=
++???
而 22
22
2[sin()sin()]sin()sin()hz hz kx ly e k kx ly e x x ?--??==-?? 22
222[sin()sin()]sin()sin()hz hz kx ly e l kx ly e y y
?--??==-?? 22222
[sin()sin()]sin()sin()hz hz
kx ly e h kx ly e z z
?--??==?? 故 2222()sin()sin()0hz
k l h kx ly e ?-?=--+=
(2)在圆柱坐标系中 222
2221()r r r r r z
???
?φ?????=
++???? 而
11(){[cos()sin()]}n r r r n A n r r r r r r ?φφ????
=+=????22[cos()sin()]n n r n A n φφ-+ 22222
1[cos()sin()]}n n r n A n r ?
φφφ
-?=-+? 2222[cos()sin()]0n
r n A n z z
?φφ-??=+=?? 故 2
0??=
(3)
2211(){[cos()]}cos()n n r r r n n r n r r r r r r ?φφ---????
==???? 22222
1cos()n n r n r ?
φφ--?=-? 2222[cos()]0n
r n z z
?φ-??==?? 故 2
0??=
(4)在球坐标系中 22
22
2222
111()(sin )sin sin r r r r r r ???
?θθθθθφ??????=++????? 而 222
2112
()[(cos )]cos r r r r r r r r r r ?θθ????==???? 22
11(sin )[sin (cos )]sin sin r r r ?θθθθθθθθθ
????
==???? 2
2
12(sin )cos sin r r r
θθθθ?-=-? 22
222222
11(cos )0sin sin r r r ?θθφθφ??
==??
故 2
0??=
(5) 2222
22112
()[(cos )]cos r r r r r r r r r r
?θθ-????==????
2
22
11(sin )[sin (cos )]sin sin r r r ?θθθθθθθθθ
-????==???? 22
24
12(sin )cos sin r r r
θθθθ-?-=-? 22
2
222222
11(cos )0sin sin r r r ?θθφθφ
-??==?? 故 2
0??=
3.14 已知0>y 的空间中没有电荷,下列几个函数中哪些是可能的电位的解? (1)cosh y e x -; (2)x e y cos -;
(3)cos sin e x x (4)z y x sin sin sin 。
解 (1)222222(cosh )(cosh )(cosh )y y y
e x e x e x x y z
---???++=???2cosh 0y e x -≠
所以函数x e y cosh -不是0>y 空间中的电位的解;
(2) 222222(cos )(cos )(cos )y y y
e x e x e x x y z
---???++=???cos cos 0y y e x e x ---+= 所以函数x e y cos -是0>y 空间中可能的电位的解;
(3) 222222(cos sin )(cos sin )(cos sin )e x x e
x x e
x x x
y
z
???++=???
4cos sin 2cos sin 0e x x e x x -+≠
所以函数x x e y sin cos 2-不是0>y 空间中的电位的解;
(4) 222
222(s i n s i n s i n )(s i n s i n s i n )(s i n s i n s i n )
x y z x y z x y z x y z
???++=??? 3sin sin sin 0x y z -≠
所以函数z y x sin sin sin 不是0>y 空间中的电位的解。
3.15 中心位于原点,边长为L 的电介质立方体的极化强度矢量为0()x y z P x y z =++P e e e 。(1)计算面束缚电荷密度和体束缚电荷密度;(2)证明总的束缚电荷为零。
解 (1) 03P P ρ=-?=-P
2
2
0()2
2P x L x x L L L x P σ======
n P
e P
22
0()2
2
P x L x x L L L x P σ=-=-=-==-=
n P e P
同理 0()()()()22222
P P P P L L L L L
y y z z P σσσσ===-====-=
(2) 32
00d d 3602
P P P S
L
q S P L L P τ
ρτσ=+=-+?
=?? 3.16 一半径为0R 的介质球,介电常数为0r εε,其内均匀分布自由电荷ρ,证明中心点的
电位为
200
21()23r r R ερ
εε+ 解 由
d S
q =?D S ,可得到
0r R <时, 3
2
1443
r r D ππρ=
即 13
r D ρ=, 11
003r r D r E ρεεεε== 0r R >时, 3
2
02443
R r D ππρ=
即 3
022
3R D r ρ= , 3
012200
3R D E r ρεε== 故中心点的电位为
00
30122
0000(0)d d d d 33R R r R R
R r E r E r r r r ρρ?εεε∞∞
=+=+=????22200000021()6323r r r R R R ρρερεεεεε++= 3.17 一个半径为R 的介质球,介电常数为ε,球内的极化强度r K r =P e ,其中K 为一
常数。(1) 计算束缚电荷体密度和面密度;(2) 计算自由电荷密度;(3)计算球内、外的电场和电位分布。
解 (1) 介质球内的束缚电荷体密度为 222
1d ()d p K K
r r r r r ρ=-?=-=-P 在r R =的球面上,束缚电荷面密度为 p r r R
r R K
R
σ=====n P e P
(2)由于0ε=+D E P ,所以 0
0εεε
?=?+?=?+?D E P D P 即 0
(1)εε
-
?=?D P 由此可得到介质球内的自由电荷体密度为 20
()p K
r εεερρεεεεεε=?=?=-
=
---D P 总的自由电荷量 2
200
014d 4d R K RK q r r r τ
επερτπεεεε===--?? (3)介质球内、外的电场强度分别为
100()r K
r
εεεε=
=--P E e ()r R <
22
2
0004()r
r
q RK
r r επεεεε==-E e e ()r R >
介质球内、外的电位分别为
112d d d R
r r
R
E r E r ?∞
∞
==+=???E l
200
0d d ()()R
r R K RK
r r r r εεεεεε∞
+=--?? 000ln ()()
K R K
r εεεεεε+-- ()r R ≤
222
0d d ()r r RK
E r r r ε?εεε∞
∞
===-??00()RK r εεεε- ()r R ≥ 3.18 (1)证明不均匀电介质在没有自由电荷密度时可能存在束缚电荷体密度;(2)导出束缚电荷密度P ρ的表达式。
解 (1)由0ε=+D E P ,得束缚电荷体密度为 0P ρε=-?=-?+?P D E 在介质内没有自由电荷密度时,0?=D ,则有 0P ρε=?E 由于ε=D E ,有 ()0εεε?=?=?+?=D E E E 所以 ε
ε
??=-
E E
由此可见,当电介质不均匀时,?E 可能不为零,故在不均匀电介质中可能存在束缚电荷体密
度。
(2)束缚电荷密度P ρ的表达式为 0
0P ερεεε
=?=-
?E E 3.19 两种电介质的相对介电常数分别为1r ε=2和2r ε=3,其分界面为z =0平面。如果已知介质1中的电场的
123(5)x y z y x z =-++E e e e
那么对于介质2中的2E 和2D ,我们可得到什么结果?能否求出介质2中任意点的2E 和2D ?
解 设在介质2中
2222(,,0)(,,0)(,,0)(,,0)x x y y z z x y E x y E x y E x y =++E e e e
2022023r εεε==D E E
在0z =处,由12()0z ?-=e E E 和12()0z -=e D D ,可得
2200223(,,0)(,,0)
253(,,0)x y x x y y z y x E x y E x y E x y εε-=+????=??
e e e e
于是得到 2(,,0)2x E x y y =
2(,,0)3y E x y x =-
2(,,0)103z E x y =
2220(,,0)(6910)
x y z x y y x ε=-+D e e e 不能求出介质2中任意点的2E 和2D 。由于是非均匀场,介质中任意点的电场与边界面上的电场是不相同的。
3.20 电场中一半径为a 、介电常数为ε的介质球,已知球内、外的电位函数分别为
3010020cos cos 2E r a E r
εεθ
?θεε-=-++ r a ≥
20
03cos 2E r ε?θεε=-
+ r a ≤
验证球表面的边界条件,并计算球表面的束缚电荷密度。
解 在球表面上
00
1000
003(,)cos cos cos 22a E a aE E a εεε?θθθθεεεε-=-+
=-++
200
3(,)cos 2a E a ε?θθεε=-
+
010
00
002()3cos cos cos 22r a E E E r εε?ε
θθθεεεε=-?=--=-?++ 02
03cos 2r a
E r ε?θεε=?=-?+ 故有 12(,)(,)a a ?θ?θ=, 12
0r a r a r r
??εε==??=??
可见1?和2?满足球表面上的边界条件。
球表面的束缚电荷密度为
2
02()p r a
r σεε===-=n P e E 002000
3()
()
cos 2r a
E r
εεε?εεθεε=-?--=
?+
3.21 平行板电容器的长、宽分别为a 和b ,极板间距离为d 。电容器的一半厚度(2
~0d )用介电常数为ε的电介质填充,如题3.21图所示。
(1) (1) 板上外加电压0U ,求板上的自由电荷面密度、束缚电荷;
(2) (2) 若已知板上的自由电荷总量为Q ,求此时极板间电压和束缚电荷; (3) (3) 求电容器的电容量。
解 (1) 设介质中的电场为z E =E e ,空气中的电场为0=E 0z E e 。由=D 0D ,有
00E E εε= 又由于 002
2U d
E d E -=+
由以上两式解得
0002()U E d εεε=-
+ ,0002()U E d
εεε=-+
故下极板的自由电荷面密度为 00
02()U E d εεσεεε==-
+下
上极板的自由电荷面密度为 00
00
02()U E d εεσεεε=-=+上 电介质中的极化强度 000
002()()()z
U d εεεεεεε-=-=-+P E e 故下表面上的束缚电荷面密度为 000
02()()p z
U d εεεσεε-=-=+e P 下 上表面上的束缚电荷面密度为 000
02()()p z
U d
εεεσεε-==-+e P 上 (2)由
002()U Q
ab d
εεσεε==+ 得到 00()2dQ U ab εεεε+= 故 0()p Q ab εεσε-=
下 0()p Q ab
εεσε-=-
上 (3)电容器的电容为 002()ab Q
C U d
εεεε==+ 3.22 厚度为t 、介电常数为04εε=的无限大介质板,放置于均匀电场0E 中,板与0E 成角1θ,如题3.22图所示。求:
(1)使24θπ=的1θ值;(2)介质板两表面的极化电荷密度。 解 (1)根据静电场的边界条件,在介质板的表面上有
12tan tan εθθε
= 由此得到 11102
01tan 1tan
tan tan 144
εθεθεε---==== (2)设介质板中的电场为E ,根据分界面上的边界条件,有00n n E E εε=,即
001cos n E E εθε=
所以 00101
cos cos144
n E E E εθε==
介质板左表面的束缚电荷面密度 0000
03
()c o s 140.7284p n E E E σεεεε=--=-=- 介质板右表面的束缚电荷面密度 0000
03
()c o s 140.7284
p n E E E σεεεε=-== 3.23 在介电常数为ε的无限大均匀介质中,开有如下的空腔,求各腔中的0E 和0D : (1)平行于E 的针形空腔;
(2)底面垂直于E 的薄盘形空腔;
题3.22图
(3)小球形空腔(见第四章4.14题)。
解 (1)对于平行于E 的针形空腔,根据边界条件,在空腔的侧面上,有0=E E 。故在针形空腔中
0=E E ,0000εε==D E E
(2)对于底面垂直于E 的薄盘形空腔,根据边界条件,在空腔的底面上,有0=D D 。故在薄盘形空腔中
0ε==D D E ,0
00
εεε=
=
D E E
3.24 在面积为S 的平行板电容器内填充介电常数作线性变化的介质,从一极板(0)y =处的1ε一直变化到另一极板()y d =处的2ε,试求电容量。
解 由题意可知,介质的介电常数为 121()y d εεεε=+- 设平行板电容器的极板上带电量分别为q ±,由高斯定理可得
y q
D S
σ==
121[()]y
y D q
E y d S
ε
εεε=
=
+-
所以,两极板的电位差 21212110
d d ln [()]()d
d
y q qd
U E y y y d S S εεεεεεε===+--??
故电容量为 2121()ln()
S q C U d εεεε-=
= 3.25 一体密度为732.3210C m ρ-=?的质子束,束内的电荷均匀分布,束直径为2mm ,束外没有电荷分布,试计算质子束内部和外部的径向电场强度。
解 在质子束内部,由高斯定理可得 2
1
2r r E r ππρε=
故 74120 2.3210 1.3110V m 228.85410
r r r E r ρε--?===??? 3
(10m )r -< 在质子束外部,有 20
1
2r rE a ππρε=
故 276212
0 2.32101011.3110V m 228.85410r a E r r r
ρε----??===??? 3
(10m )r -> 3.26 考虑一块电导率不为零的电介质(,)γε,设其介质特性和导电特性都是不均匀的。证明当介质中有恒定电流J 时,体积内将出现自由电荷,体密度为()ρεγ=?J 。试问有没有束缚体电荷P ρ?若有则进一步求出P ρ。
解 ()()()εεε
ρεγγγ
=?=?=?=?+?D E J J J
对于恒定电流,有0?=J ,故得到 ()ρεγ=?J
介质中有束缚体电荷P ρ,且
00()()P ερεεγγ=-?=-?+?=-?+?=J P D E J 00()()()εεεε
γγγ
--?+?=-?J J J
3.27 填充有两层介质的同轴电缆,内导体半径为a ,外导体内半径为c ,介质的分界面半径为b 。两层介质的介电常数为1ε和2ε,电导率为1γ和2γ。设内导体的电压为0U ,外导体接地。
求:(1)两导体之间的电流密度和电场强度分布;(2)介质分界面上的自由电荷面密度;(3)同轴线单位长度的电容及漏电阻。
解 (1)设同轴电缆中单位长度的径向电流为I ,则由d S
I =?
J S ,可得电流密度
2r
I r π=J e
()a r c <<
介质中的电场 1112r
I
r γπγ==J E e ()a r b << 222
2r
I
r γπγ==J E e ()b r c << 由于 012d d b
c
a
b
U =+=
??
E r E r 1
2ln
ln 22I b I c
a b
πγπγ+ 于是得到 120
212ln()ln()U I b a c πγγγγ=
+
故两种介质中的电流密度和电场强度分别为
120
21[ln()ln()]
r
U r b a c b γγγγ=+J e ()a r c <<
20
121[ln()ln()]
r
U r b a c b γγγ=+E e ()a r b << 10
221[ln()ln()]
r
U r b a c b γγγ=+E e ()b r c << (2)由σ=n D 可得,介质1内表面的电荷面密度为
120
111
21[ln()ln()]
r r a
U a b a c εγσεγγ===
+e E
介质2外表面的电荷面密度为
210
222
21[ln()ln()]
r r c
U c b a c b εγσεγγ==-=-
+e E
两种介质分界面上的电荷面密度为
121122()
r r r b
σεε==--=e E e E 12210
21()[ln()ln()]
U b b a c b εγεγγγ--
+
(3)同轴线单位长度的漏电阻为 02112
ln()ln()
2U b a c b R I γγπγγ+==
由静电比拟,可得同轴线单位长度的电容为 12
212ln()ln()
C b a c b πεεεε=
+
3.28 半径为1
R 和2R )(21R R <的两个同心的理想导体球面间充满了介电常数为ε、电导
率为0(1)K r γγ=+的导电媒质(K 为常数)。若内导体球面的电位为0U ,外导体球面接地。试求:(1)媒质中的电荷分布;(2)两个理想导体球面间的电阻。
解 设由内导体流向外导体的电流为I ,由于电流密度成球对称分布,所以
122
()4r
I
R r R r
π=< 电场强度 120()4()r I R r R r K r γπγ==<<+J E e 由两导体间的电压 2 2 1 1 00d d 4()R R R R I U r r K r πγ= = =+??E r 21012()ln 4()R R K I K R R K πγ??+??+?? 可得到 00 21124()ln ()KU I R R K R R K πγ= ??+??+?? 所以 00 2 2112()ln ()r KU R R K r R R K γ=??+??+?? J e 媒质中的电荷体密度为 20 2221121 ()()()ln ()K U r K r R R K R R K εε ργ =?= +??+??+?? J 媒质内、外表面上的电荷面密度分别为 1 11121121 ()()ln ()r r R KU R K R R R K R R K εε σγ === +??+??+?? e J 2 022221121 ()()ln ()r r R KU R K R R R K R R K εεσγ ==-=- +??+??+?? e J (2)两理想导体球面间的电阻 021 012()1 ln 4() U R R K R I K R R K πγ+= =+ 3.29 电导率为γ的无界均匀电介质内,有两个半径分别为1R 和2R 的理想导体小球,两球 之间的距离为),(21R d R d d >>>>,试求两小导体球面间的电阻。 解 此题可采用静电比拟的方法求解。假设两小球分别带电荷q 和q -,由于两球间的距离1R d >>、2R d >>,可近似认为小球上的电荷均匀分布在球面上。由电荷q 和q -的电位叠加求出两小球表面的电位差,即可求得两小导体球面间的电容,再由静电比拟求出两小导体球面间的电阻。 设两小球分别带电荷q 和q -,由于1R d >>、2R d >>,可得到两小球表面的电位为 112 11( )4q R d R ?πε= -- 221 11 ()4q R d R ?πε=--- 所以两小导体球面间的电容为 121212 41111 q C R R d R d R πε??== -+---- 由静电比拟,得到两小导体球面间的电导为 121212 41111 I G R R d R d R πγ??== -+---- 故两个小导体球面间的电阻为 1212 111111 ()4R G R R d R d R πγ==+---- 3.30 在一块厚度d 的导电板上, 由两个半径为1 r 和2r 的圆弧和夹角为α的两半径割出的 一块扇形体,如题3.30图所示。求:(1)沿厚度方向的电阻;(2)两圆弧面之间的电阻;沿α方向的两电极的电阻。设导电板的电导率为γ。 解 (1)设沿厚度方向的两电极的电压为1 U ,则有 d U E 11= 111U J E d γγ== 22111121()2 U I J S r r d γα ==?- 故得到沿厚度方向的电阻为 11221212() U d R I r r αγ= = - (2)设内外两圆弧面电极之间的电流为2I ,则 rd I S I J α2222== rd I J E γα=γ= 222 2 1 22221 d ln r r I r U E r d r γα== ? 故得到两圆弧面之间的电阻为 22221 1 ln U r R I d r γα= = (3)设沿α方向的两电极的电压为3U ,则有 330 d U E r α φ=? 由于3E 与φ无关,所以得到 题3.30图 33U r φ α=E e 333U r φ γγα==J E e 2 3 1 332331 d d ln r S r dU dU r I S r r r φγγαα===??J e 故得到沿α方向的电阻为 33321ln() U R I d r r α γ== 3.31 圆柱形电容器外导体内半径为b ,内导体半径为a 。当外加电压U 固定时,在b 一定的条件下,求使电容器中的最大电场强度取极小值min E 的内导体半径a 的值和这个min E 的值。 解 设内导体单位长度带电荷为l ρ,由高斯定理可求得圆柱形电容器中的电场强度为 0()2l E r r ρπε= 由内外导体间的电压 00d d ln 22b b l l a a b U E r r r a ρρπεπε===?? 得到 02ln() l U b a περ= 由此得到圆柱形电容器中的电场强度与电压的关系式 ) ln()(a b r U r E = 在圆柱形电容器中,a r =处的电场强度最大 ) ln()(a b a U a E = 令)(a E 对a 的导数为零,即 0) (ln 1 )ln(1)(2 2=--=??a b a b a a a E 由此得到 1)/ln(=a b 故有 718.2b e b a ≈= b U U b e E 718.2min == 3.32 证明:同轴线单位长度的静电储能e W 等于2 2l q C 。l q 为单位长度上的电荷量,C 为单 位长度上的电容。 解 由高斯定理可求得圆柱形电容器中的电场强度为 ()2l q E r r πε= 内外导体间的电压为 d d ln 22b b l l a a b U E r r r a ρρπεπε===?? 则同轴线单位长度的电容为 2ln() l q C U b a πε= = 同轴线单位长度的静电储能为 2211d ()2d 222b l e a q W E r r r τετεππε===??22 11ln()222l l q q b a C πε= 3.33 如题3.33图所示,一半径为a 、带电量q 的导体球,其球心位于两种介质的分界面上,此两种介质的电容率分别为1ε和2ε,分界面为无限大平面。求:(1)导体球的电容;(2) 总的 静电能量。 解 (1)由于电场沿径向分布,根据边界条件,在两种介质的分界面上12t t E E =,故有 12E E E ==。由于111D E ε=、222D E ε=,所以12D D ≠。由高斯定理,得到 1122D S D S q += 即 2 21222r E r E q πεπε+= 所以 2122() q E r πεε= + 导体球的电位 2121 ()d d 2()a a q a E r r r ?πεε∞ ∞ ===+??122()q a πεε+ 故导体球的电容 122()() q C a a πεε?= =+ (2) 总的静电能量为 2 121()24()e q W q a a ?πεε==+ 3.34 把一带电量q 、半径为a 的导体球切成两半,求两半球之间的电场力。 解 先利用虚位移法求出导体球表面上单位面积的电荷受到的静电力f ,然后在半球面上 对f 积分,求出两半球之间的电场力。 导体球的电容为 04C a πε= 故静电能量为 22 028e q q W C a πε= = 根据虚位移法,导体球表面上单位面积的电荷受到的静电力 22 2224 0011()44832e W q q f a a a a a a πππεπε??=-=-=?? 方向沿导体球表面的外法向,即 2 24 032r r q f a πε== f e e 这里 sin cos sin sin cos r x y z θφθφθ=++e e e e 在半球面上对f 积分,即得到两半球之间的静电力为 2 22 2 24000 d sin d d 32r q S a a ππθθφπε===???F f e 2 2224002cos sin d 32z a q a ππθθθπε=?e 22032z q a πεe 3.35 如题3.35图所示,两平行的金属板,板间距离为d ,竖直地插入在电容率为ε的液 题 3.33图 体中,两板间加电压U ,证明液面升高 201 ()()2U h g d εερ= - 其中ρ为液体的质量密度。 解 设金属板的宽度为a 、高度为L 。当金属板间的液面升高为h 时,其电容为 0() a L h ah C d d εε-= + 金属板间的静电能量为 22 01[()]22e aU W CU h L h d εε==+- 液体受到竖直向上的静电力为 2 0()2e e W aU F h d εε?==-? 而液体所受重力 g F mg ahd g ρ== e F 与g F 相平衡,即 20()2aU ahdg d εε-= 故得到液面上升的高度 2200 2()1()()22U U h d g g d εεεερρ-==- 3.36 可变空气电容器,当动片由0至180电容量由25至350F p 直线地变化,当动片为θ角时,求作用于动片上的力矩。设动片与定片间的电压为=0U 400V 。 解 当动片为θ角时,电容器的电容为 1235025 2525 1.81F (25 1.81)10F 180 C P θθθθ--=+ =+=+? 此时电容器中的静电能量为 2122 0011(25 1.81)1022e W C U U θθ-==+? 作用于动片上的力矩为 122701 1.8110 1.45102 e W T U Nm θ--?= =??=?? 3.37 平行板电容器的电容是0S d ε,其中S 是板的面积,d 为间距,忽略边缘效应。 (1)如果把一块厚度为d ?的不带电金属插入两极板之间,但不与两极接触,如题3.37()a 图所示。则在原电容器电压0U 一定的条件下,电容器的能量如何变化?电容量如何变化? (2)如果在电荷q 一定的条件下,将一块横截面为 S ?、介电常数为ε的电介质片插入电容器(与电容器极 板面积基本上垂直地插入,如题 3.37()b 图所示,则电 容器的能量如何变化?电容量又如何变化? 解 (1)在电压0U 一定的条件下,未插入金属板前,极板间的电场为 题3.35图 d U E 0 0= 电容为 00S C d ε= 静电能量为 22 00000122e SU W C U d ε== 当插入金属板后,电容器中的电场为 0 U E d d = -? 此时静电能量和电容分别为 2 200001()22()e U SU W S d d d d d d εε?? =-?= ?-?-??? 0202e W S C U d d ε==-? 故电容器的电容及能量的改变量分别为 0000() S S S d C C C d d d d d d εεε??=-= - = -?-? 20002() e e e SU d W W W d d d ε??=-= -? (2)在电荷q 一定的条件下,未插入电介质板前,极板间的电场为 000q E S σεε= = 静电能量为 22 00022e q dq W C S ε= = 当插入电介质板后,由介质分界面上的边界条件t t E E 21=,有 E E E ==21 再由高斯定理可得 0()E S E S S q εε?+-?= 于是得到极板间的电场为 0() q E S S S εε= ?+-? 两极板间的电位差位 0() qd U Ed S S S εε==?+-? 此时的静电能量为 2 01122() e q d W qU S S S εε==?+-? 其电容为 0() S S S C d εε?+-?= 故电容器的电容及能量的改变量分别为 0()S C d εε-??= 2000()1 2[()] e q d W S S S S εεεεε-?=-?+-? 3.38 如果不引入电位函数,静电问题也可以通过直接求解法求解E 的微分方程而得解决。 题3.37图()b (1)证明:有源区E 的微分方程为2 t ρε??= E ,t P ρρρ=+; (2)证明:E 的解是 01 d 4t R τρτπε'?'=-?E 解 (1)由0??=E ,可得 ()0????=E ,即2 ()0??-?=E E 又 0 1 1 ()()P ρρεε?= ?-= +E D P 故得到 2 00 ()t P ρρρεε??+?==E (2)在直角坐标系中2 t ρε??=E 的三个分量方程为 201t x E x ρε??=?,201t y E y ρε??=?,2 01t z E z ρε??= ? 其解分别为 011d 4t x E R x τρτπε?'=-'?? 011d 4t y E R y τρτπε?'=-'?? 011d 4t z E R z τρτπε?'=- ' ?? 故 x x y y z z E E E =++=E e e e 011[]d 4t t t x y z R x y z τρρρτπε???'- ++=''' ????e e e 01 d 4t R τρτπε'?'-? 3.39 证明:()d 0t R τ ρτ''?=? 解 由于 31()()t t t t t R R R R R ρρρρρ''??''?=?+=+R ,所以 03()d d d 4d t t t t R R R R ττττρρρτρττπετ''??'''''?=+=+????R E 由题3.38(2)可知 0d 4t R τ ρτπε'?'=-?E 故 00()d 440t R τ ρτπεπε''?=-+=?E E 宁可累死在路上,也不能闲死在家里!宁可去碰壁,也不能面壁。是狼就要练好牙,是羊就要练好腿。什么是奋斗?奋斗就是每天很难,可一年一年却越来越容易。不奋斗就是每天都很容易,可一年一年越来越难。能干的人,不在情绪上计较,只在做事上认真;无能的人!不在做事上认真,只在情绪上计较。拼一个春夏秋冬!赢一个无悔人生!早安!—————献给所有努力的人