题目
一平行板电容器,充电后切断电源,然后使两极板间充满相对介电常量为的各向同性均匀电介质,此时两极板间的电场强度是原来的______倍;电场能量是原来的______倍.
一平行板电容器,充电后切断电源,然后使两极板间充满相对介电常量为的各向同性均匀电介质,此时两极板间的电场强度是原来的______倍;电场能量是原来的______倍.
题目解答
答案
1/εr1/εr
解析
本题考查平行板电容器在充电后切断电源再充满电介质的情况下,电场强度和电场能量的变化,解题关键在于明确切断电源后电荷量不变这一条件,再结合相关公式进行分析。
- 分析电场强度的变化
- 平行板电容器充电后切断电源,此时电容器所带电荷量$Q$保持不变。
- 未充满电介质时,平行板电容器间的电场强度公式为$E_0=\frac{\sigma}{\epsilon_0}$,其中$\sigma=\frac{Q}{S}$($S$为极板面积),所以$E_0 = \frac{Q}{\epsilon_0 S}$。
- 当两极板间充满相对介电常量为$\epsilon_r$的各向同性均匀电介质后,此时电场强度公式变为$E=\frac{\sigma}{\epsilon_0\epsilon_r}$,同样$\sigma=\frac{Q}{S}$,则$E = \frac{Q}{\epsilon_0\epsilon_r S}$。
- 计算$\frac{E}{E_0}$的值:
$\begin{align*}\frac{E}{E_0}&=\frac{\frac{Q}{\epsilon_0\epsilon_r S}}{\frac{Q}{\epsilon_0 S}}\\&=\frac{Q}{\epsilon_0\epsilon_r S}\times\frac{\epsilon_0 S}{Q}\\&=\frac{1}{\epsilon_r}\end{align*}$ - 所以此时两极板间的电场强度是原来的$\frac{1}{\epsilon_r}$倍。
- 分析电场能量的变化
- 平行板电容器的电容公式为$C = \frac{\epsilon S}{d}$($d$为极板间距),未充满电介质时电容$C_0=\frac{\epsilon_0 S}{d}$,充满电介质后电容$C=\frac{\epsilon_0\epsilon_r S}{d}=\epsilon_r C_0$。
- 电容器的电场能量公式为$W=\frac{Q^2}{2C}$,未充满电介质时电场能量$W_0=\frac{Q^2}{2C_0}$,充满电介质后电场能量$W=\frac{Q^2}{2C}$。
- 计算$\frac{W}{W_0}$的值:
$\begin{align*}\frac{W}{W_0}&=\frac{\frac{Q^2}{2C}}{\frac{Q^2}{2C_0}}\\&=\frac{Q^2}{2C}\times\frac{2C_0}{Q^2}\\&=\frac{C_0}{C}\\&=\frac{C_0}{\epsilon_r C_0}\\&=\frac{1}{\epsilon_r}\end{align*}$ - 所以此时两极板间的电场能量是原来的$\frac{1}{\epsilon_r}$倍。