1、第四章 电磁学基础静电学部分4.2 解:平衡状态下受力分析+q 受到的力为: 20 41rqFq2041lqFq处于平衡状态: 4qq(1)0412020lr同理,4q 受到的力为: 20441rlqFq2044lqFq044qqF(2)112020lrl通过(1)和(2)联立,可得: ,3lrq944.3 解:根据点电荷的电场公式: reqE204点电荷到场点的距离为: 2lr2041lrq两个正电荷在 P 点产生的电场强度关于中垂线对称: cos/E02lr所以: 230220141cos lrqlrlqE qq4lrEOrlq+lqP当 与点电荷电场分布相似,在很远处,两lr202041
2、rqrE个正电荷 q 组成的电荷系的电场分布,与带电量为 2q 的点电荷的电场分布一样。4.4 解:取一线元 ,在圆心处Rdq产生场强: 202041dE分解,垂直 x 方向的分量抵消,沿 x 方向的分量叠加: Rddx 002sin41方向:沿 x 正方向4.5 解:(1)两电荷同号,电场强度为零的点在内侧;(2)两电荷异号,电场强度为零的点在外侧。4.7 解:线密度为 ,分析半圆部分:rdlq点电荷电场公式: reE2041在本题中: 20rd电场分布关于 x 轴对称: ,sin41sin20rdEx0yE进行积分处理,上限为 ,下限为 :2rdrrdE 000 2sin4sin41sin
3、 方向沿 x 轴向右,正方向分析两个半无限长: )cos(4si 210021 xxdExx )in(sidco4120021 yyOdlrxEy xyRdExO, , ,21xEx04xy04两个半无限长,关于 x 轴对称,在 y 方向的分量为 0,在 x 方向的分量:rE0042在本题中,r 为场点 O 到半无限长线的垂直距离。电场强度的方向沿 x 轴负方向,向左。那么大 O 点的电场强度为: 020rE4.8 解:E 的方向与半球面的轴平行,那么通过以 R 为半径圆周边线的任意曲面的电通量相等。所以通过 S1 和 S2 的电通量等效于通过以 R 为半径圆面的电通量,即: E214.9 解
4、:均匀带电球面的场强分布: RrQ0 42球面 R1、R 2 的场强分布为:101 4rqE 2202 4rqE根据叠加原理,整个空间分为三部分: 2202021 12140RrrqEr根据高斯定理,取高斯面求场强: 20124RrqrErSd图 4-94 习题 4.8 用图ES1 S2RO 12Rq场强分布:21204RrrqE方向:沿径向向外4.10 解:(1) 、这是个球对称的问题 24rEdSESe 当 时,高斯面对包围电荷为 QRr024Q02r当 ,高斯面内包围电荷为 qr334Rq3024RrE304RQrE方向沿径向(2) 、证明:设电荷体密度为 34Q这是一个电荷非足够对称分
5、布的带电体,不能直接用高斯定理求解。但可以把这一带电体看成半径为 R、电荷体密度为 的均匀带电球体和半径为 R、电荷体密度为- 的均匀带电体球相叠加,相当于在原空腔同时补上电荷体密度为 和- 的球体。由电场叠加原理,空腔内任一点 P 的电场强度为:21E在电荷体密度为 球体内部某点电场为: rE31在电荷体密度为- 球体内部某点电场为: 2所以 aRQrE 300021 43 raRrE4.11 解:利用高斯定理,把空间分成三部分 23120 124104 RrRrrErSd场强分布: 2312013RrRrrE方向:沿径向向外4.12 解:取闭合圆柱面为高斯面,高斯定理 RrlrESd022
6、场强分布:rR02方向沿径矢方向4.14 解:无限大带电平面的电场分布为: ,场强叠加02E(1)电荷面密度均为 在一区: 02E在二区: 0在三区: 02E(2)电荷面密度分别为 和- 在一区: 012RR2r002E00、02E0002E、在二区: 002E在三区: 0方向为垂直于平面方向4.16 解:把总的电场力做功看做是正电荷+q电场力做功和负电荷-q 电场力做功的叠加,得用公式(4 14): bar rQqdAba 14020(1)把单位正电荷从 O 点沿 OCD 移到 D 点,电场力做功。设试验电荷电量为q0。正电荷+q 的电场力做功: lqlqA006314负电荷-q 的电场力做
7、功: 0l总的电场力做功: lqA006对单位正电荷做功为: l00(2)把单位负电荷从 AB 的延长线移到无穷远处,电场力对它对做功。设试验电荷电量为-q 0。正电荷+q 的电场力做功: 1340lqA负电荷-q 的电场力做功: 0l总的电场力做功: lqllqA0000 614314对单位负电荷做功为: l0064.19 解:均匀带电球面内外的电势分布为:ABCDOqql21R21q2RrQrU04结合本题,先写出各个球面的电势分布,再利用电势叠加原理。对于球面 1: 对于球面 2:110104RrqU2202204rRq整个空间内,电势分三部分:对应于红色部分201014RqUr对应于蓝
8、色部分20021 rR对应于外部空间qUr020124那么两个球面上的电势: 2010114RqRr202022U两个球面之间的电势差为: 2102010144RqRq此题也可得用积分来求 ldEU4.22 解:做一闭合圆柱面为高斯面,求两个无限长同轴圆筒间的电场强度 021rRr1R21200ln2121 RdrldEURR4.23 解:取无穷远处为电势零点设导体球带电量为 q由于点电荷 q 的存在,我们并不清楚导体球面上电荷的具体分布,但是球面上任何电荷元dq 到球心的距离都是 R。导体球是等势体,只需求出球心的电势就可以了。电势叠加原理 rqdUq004式中两项分别是导体球面上所有电荷和
9、点电荷 q 在球心处的电势,积分得rR00此为点电荷 q 电场影响下的,导体球的电势,根据题设,导体球电势为 0400rqU可得: R4.28 解:基本的电容题,写出各个量, , ,24m105S104d0.2rF/m1085.2利用有介质时的平行板电容器的电容公式: .1058. 104420 dCr每个极板上的电荷量为: C85.8.10CUQ4.30 解:充电后把电源断开,平行板电容器两个极板上的带电量不变,为 Q0。两极板距离为 d 时, , , ,dS00dUE0SdEW2021两极板距离为 2d 时, , ,021C02Q02EdUE,或者:0WCQ0202011WdSEdSqRO
10、r4.33 解:在真空中导体球外的电场分布为 ,204rQE有介质存在时的电场分布为 ,介电常数 ,rr20 0r24rQE导体球外整个空间介电常数为 电场能量密度 21E取一均匀半径为 r,厚度为 dr 的球壳,球壳上 E 大小相等球壳厚度为 dV24电场能量为 RR drQEW2241drQR841224.36 解:球形电容器的电容公式 1204RC电容器的能量 221UQW得到球形电容器所储存的能量为 21201204URR静磁学部分4.39 解:(a )根据毕萨定律: 204relIdB对于导线 2 部分,P 点在其延长线上, ,rlI所以导线 2 在 P 点的磁感应强度为 0。根据例
11、 4.19 的结论: 210cos4aIB对于导线 1: , , ,方向垂直纸面向外。2I0(b)对于导线 1、3,可视为半无限长载流导线,在 P 点RrPaI12PrI123的磁感应强度分别为: ,方向均垂直纸面向里。rIB40对于导线 2,根据例 4.20 的结果:载流圆弧在圆心处的磁感应强度为, 。导线 2 在圆心处的磁感RIO0应强度为,方向均垂直纸面向里。rIBO210磁场叠加: ,方向垂直纸面向里。rIrI424000(c)根据毕萨定律: 0eldB对于导线 1、3 部分,P 点在其延长线上, ,0relI所以导线 1、3 在 P 点的磁感应强度为 0。对于导线 2,根据例 4.2
12、0 的结果:载流圆弧在圆心处的磁感应强度为, 。导线 2 在圆心处的磁RIBO0感应强度为, ,方向垂直纸面向里。84.41 解:据毕萨定律: 204relId对于导线 A、B 部分,P 点在其延长线上, ,0relI所以导线 A、B 在 P 点的磁感应强度为 0。两段圆弧可以看做一个并联电路。设导线 1 对应弧度 1,导线 2 对应弧度 2, 1+ 2=2 。电阻之比为: ,2R电流之比: 。12I导线 1 在圆心处的磁感应强度为: ,方向垂直纸面向里。201IRBO导线 2 在圆心处的磁感应强度为: ,方向垂直纸面向外。11所以在圆心处的全磁感应强度为 0。4.42 解:根据无限长载流导线的磁场分布公式 aIB20导线 1 在两导线中点处的磁感应强度为PR123IOAB12dII1r32l