题目
一平行板电容器,充电后与电源保持联接,然后使两极板间充满相对介电常数为εr的各向同性均匀介质,这时两极板上的电荷,以及两极板间的电场强度、总的电场能量分别是原来的A. εr倍,1 倍和εr倍。B. 1/εr倍,1 倍和εr倍。C. 1 倍,1/εr倍和εr倍。D. εr倍,1 倍和1/εr倍。
一平行板电容器,充电后与电源保持联接,然后使两极板间充满相对介电常数为εr的各向同性均匀介质,这时两极板上的电荷,以及两极板间的电场强度、总的电场能量分别是原来的
A. εr倍,1 倍和εr倍。
B. 1/εr倍,1 倍和εr倍。
C. 1 倍,1/εr倍和εr倍。
D. εr倍,1 倍和1/εr倍。
题目解答
答案
A. εr倍,1 倍和εr倍。
解析
本题考查平行板电容器在充电后与电源保持连接的情况下,充满介质后电荷、电场强度和电场能量的变化,解题思路是根据平行板电容器的相关公式,结合充电后与电源保持连接这一条件,分别分析充满介质前后电荷、电场强度和电场能量的变化情况。
- 分析电荷的变化:
- 已知平行板电容器充电后与电源保持连接,根据电容的定义式$C = \frac{Q}{U}$(其中$C$为电容,$Q$为电荷量,$U$为电压),因为与电源保持连接,所以两极板间的电压$U$保持不变。
- 当两极板间充满相对介电常数为$\varepsilon_{r}$的各向同性均匀介质时,根据平行板电容器电容的决定式$C=\frac{\varepsilon_{0}\varepsilon_{r}S}{d}$(其中$\varepsilon_{0}$为真空介电常数,$S$为极板面积,$d$为极板间距),此时电容变为原来的$\varepsilon_{r}$倍,即$C'=\varepsilon_{r}C$。
- 再由$Q = CU$,$U$不变,$C$变为$\varepsilon_{r}C$,则此时电荷量$Q' = C'U=\varepsilon_{r}CU=\varepsilon_{r}Q$,所以电荷变为原来的$\varepsilon_{r}$倍。
- 分析电场强度的变化:
- 平行板电容器两极板间的电场强度公式为$E=\frac{U}{d}$(其中$U$为两极板间的电压,$d$为极板间距)。
- 由于与电源保持连接,$U$不变,$d$也不变,所以电场强度$E$不变,即$E' = E=\frac{U}{d}$,电场强度是原来的$1$倍。
- 分析电场能量的变化:
- 电容器的电场能量公式为$W=\frac{1}{2}CU^{2}$。
- 因为$U$不变,$C$变为$\varepsilon_{r}C$,则此时电场能量$W'=\frac{1}{2}C'U^{2}=\frac{1}{2}\varepsilon_{r}CU^{2}=\varepsilon_{r}W$,所以电场能量变为原来的$\varepsilon_{r}$倍。