电场 · 几何 · 推导

电容器:接电源与断电源

同一个初态,两种连接条件。让介质几何、分区电场和能量账本一起变化。

S = 100 cm²上板A → 下板B 为 +x
+++++++AB2 mm紫色:介质 · 比例 f = 0.5 · εr = 3箭头示方向,不表示不同区域场强相等;大小见读数。

沿厚度分层:每段占满板面积,电势差相加。

剖面为示意图,板距不按实际比例绘制;正负号只表示极性,数量与间距不表示电荷密度。

电容 C66.41 pF
上板电荷 Q4.427 nC
U = UA − UB66.67 V
储能 W0.1476 μJ
播放只推进讲解步骤,不代表真实时间演化。

从几何求电容

C=ε0Sd(1f+f/εr)C=\frac{\varepsilon_0S}{d(1-f+f/\varepsilon_r)}

线性、各向同性、无损耗介质;忽略极板和介质交界附近的边缘场。分层中没有自由界面电荷。未模拟漏电、击穿与开关暂态。

带着预测操作

1. 同样填一半,电容相同吗?

先预测。重置到 εr=3、f=0.5、d=2 mm,再切换两种几何。厚度分层 C/C0=1.5,面积分区为2:前者势差相加,后者电荷相加。

2. 插入介质后,能量一定减小吗?

保持d=2 mm、εr=3,将f从0变1。固定Q时W变为W0/3;固定U时变为3W0。到步骤4核对电源功,两次外界机械功均为负。

3. 拉开两板,场会怎样变?

设f=0,将板距2 mm改4 mm。固定Q时场不变而电压加倍;固定U时电压不变而场减半。先预测再到步骤3看读数。

4. 改变极性与零电荷

将U0由100 V改为−100 V:箭头反向,能量不变;再设为0:电场与能量归零,不显示无意义的能量比值。

线性介质静电模型,SI单位。蓝色表示极板电荷,紫色表示介质,金色表示板距,绿色表示电场方向。