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1、電容器、電容典型例題
【例1】一個平行板電容器,使它每板電量從Q1=30×10-6C增加到Q2=36×10-6C時,兩板間的電勢差從U1=10V增加到U2=12V,這個電容器的電容量多大?如要使兩極電勢差從10V降為U2'=6V,則每板需減少多少電量.
[分析] 直接根據(jù)電容的定義即可計算.
[解] 電量的增加量和電勢差的增加量分別為
△Q=Q2—Q1=36×10-6C—30×10-6C=6×10-6C,
△U=U2-U1=12V-10V=2V.
根據(jù)電容的定義,它等于每增加 1V電勢差所需增加的電量,即
要求兩極板間電勢差降為6V,則每板應(yīng)減少的電量為
2、
△Q′=C△U′=3×10-6×(10—6)C=12×10-6C.
[說明] (1)電勢差降為 6V時,每板的帶電量為
Q′2=Q1-△Q′= 30×10-6C-12×10-6C=18×10-6C.
?。?)由題中數(shù)據(jù)可知,電容器每板帶電量與兩板間電勢差的比恒定,即
【例2】 一平行板電容器的電容量為C,充電后與電源斷開,此時板上帶電量為Q,兩板間電勢差為U,板間場強為E.現(xiàn)保持間距不變使兩板錯開一半(圖1),則下列各量的變化是:電容量C′=______,帶電量Q′=______,電勢差U′=______,板間場強E′______.
[分析] 電容器
3、的電容量由板間介質(zhì)特性及幾何尺寸決定.介質(zhì)與間距不變,正對面積減為原來的一半,電容量也減為原來的一半,即
切斷電源后,板上電量不變,Q′=Q.
由電容定義得兩板間電勢差
根據(jù)電勢差與場強的關(guān)系,得板間場強
[說明] 板上電量不變,錯開后的正對面積變小,板上相對部分電荷的密度增加,即板間電場線變密,如圖2所示,分析平行板電容器的問題中,借助電場線,可得到形象化的啟發(fā).
【例3】 如圖1所示,把一個平行板電容器接在電壓U=10V的電源上.現(xiàn)進行下列四步動作:
金屬板;(3)打開S;(4)抽出金屬板.則此時電容器兩板間電勢差為
4、[ ]
A.0V
B.10V
C.5V
D.20V
[分析]每一步動作造成的影響如下:
?。?)合上S,電源對電容器充電,至電壓為U.設(shè)電容量為C,則帶電量Q1=CU.板間形成一個勻強電場,場強為
(2)插入金屬板,板的兩側(cè)出現(xiàn)等量異號的感應(yīng)電荷,上下形成
為等勢體,則A板與金屬板之間、金屬板與B板之間的電勢差均為
顯然,在插入過程中,電源必須對A、B兩板繼續(xù)充電,板上電量增為原來的2倍,即Q2=2Q1.
?。?)打開 S, A、 B兩板的電量保持不變,即Q3=Q2=2Q1.
?。?)抽出板,電容器的電容仍為C,而電量
5、為2Q1,所以兩板間
[答] D.
【例4】 三塊相同的金屬平板A、B、D自上而下水平放置,間距分別為h和d,如圖所示.A、B兩板中心開孔,在A板的開孔上擱有一金屬容器P,與A板接觸良好,其內(nèi)盛有導電液體.A板通過閉合的電鍵S與電動勢為U0的電池的正極相連,B板與電池的負極相連并接地.容器P內(nèi)的液體在底部小孔O處形成質(zhì)量為m,帶電量為q的液滴后自由下落,穿過B板的開孔O'落在D板上,其電荷被D板吸附,液體隨即蒸發(fā),接著容器底部又形成相同的液滴自由下落,如此繼續(xù).設(shè)整個裝置放在真空中.
?。?)第1個液滴到達D板時的速度為多少?
(2)D板最終可達到多高的電勢?
6、 ?。?)設(shè)液滴的電量是A板所帶電量的a倍(a=0.02),A板與 B板構(gòu)成的電容器的電容為C0=5×10-12F,U0=1000V,m=0.02g,h=d=5cm.試計算D板最終的電勢值.(g=10m/s2)
(4)如果電鍵S不是始終閉合,而只是在第一個液滴形成前閉合一下,隨即打開,其他條件與(3)相同.在這種情況下,D板最終可達到電勢值為多少?說明理由.
[分析] 液滴落下后,由電場力和重力共同對它做功,由此可算出它到達D板的速度.液滴落下后,D板上出現(xiàn)正電荷,在DB間形成一個方向向上的場強,將阻礙以后繼續(xù)下落的液滴,使D板的帶電量有一限度,其電勢也有一個最大值.
[解]
7、 (1)設(shè)第一個液滴到達D板的速度為v1,對液滴從離開小孔O到D板的全過程由功能關(guān)系
得
?。?)隨著下落液滴的增多,D板帶的正電荷不斷積累,在DB間形成向上的電場E',通過O'后的液滴在BD間作勻減速運動,當液滴到達D板的速度恰為零時,D板的電勢達最高,設(shè)為Um.由
qU0+mg(h+d)-qUm=△Ek=0.
得
(3) A板帶電量Q0=C0U0,故每一液滴的電量q=αQ0=0.02C0U0,代入上式得
?。?)D板最終電勢等于A板電荷全部到達D板時D板的電勢.由于h=d,B、D間電容量也是C0,故D板最終電勢U至多為U0.
因為當 D板電勢為U時, A板電勢UA=U0-U,到達D板液滴的動能為
Ek=mg(h+d)+qU0-qU>mg(h+d)qU
式中qm=aC0U0,是q的最大值,即第一個液滴的電量.因
故恒有Ek>0,表示液滴一直徑往下滴,直到A板上電量全部轉(zhuǎn)移到D板,所以D板最終電勢可達
所以小球運動到B點的速度大小為
[說明] (1)電場力做功與重力做功,都只與始、末兩位置有關(guān),與具體路徑無關(guān).(2)電勢能的變化僅由電場力作功產(chǎn)生,重力勢能的變化僅由重力作功產(chǎn)生,但動能的變化是由作用在物體上的所有外力的功產(chǎn)生的.在具體問題中,必須注意分清.