内外半径分别为a和b的无限长圆柱形电容器 单位长度荷电为λf 板间填充导率为σ的非磁性物质。 (1) 证明在介质

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内外半径分别为a和b的无限长圆柱形电容器,单位长度荷电为λf,板间填充导率为σ的非磁性物质。

  (1) 证明在介质中任何一点传导电流与位移电流严格抵消,因此内部无磁场。

  (2) 求λf随时间的衰减规律。

  (3) 求与轴相距为r的地方的能量耗散功率密度。

  (4) 求长度为ι的一段介质总的能量耗散功率,并证明它等于这段的静电能减少率。

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答案解析

难度★★☆ 搜索
  • 电荷分布呈轴对称,且自由电荷只分布在导体面。
       以圆柱中心为z轴,利用高斯定理,得介质内任一点。
       D满足 0.8DA6D1.jpg
       故  latex.action?latex=RD1cZnJhY3tcbGFtYmRhIF97Zn1yfXsyXHBpIHJeezJ9fQ%3D%3D(r为z轴指向)
       各向同性线性介质满足  D=εE
       故  latex.action?latex=RT1cZnJhY3tcbGFtYmRhIF97Zn19ezJccGkgXHZhcmVwc2lsb24gfVxmcmFje3J9e3JeezJ9fQ%3D%3D
       由欧姆定律传导电流 latex.action?latex=Sl97Zn09XHNpZ21hIEU9XGZyYWN7XHNpZ21hIFxsYW1iZGEgX3tmfX17MlxwaSBcdmFyZXBzaWxv%0D%0AbiB9XGZyYWN7cn17cl57Mn19
       而位移电流  latex.action?latex=Sl97RH09XGZyYWN7XHBhcnRpYWwgRH17XHBhcnRpYWwgdH09XGZyYWN7MX17MlxwaX1cZnJhY3ty%0D%0AfXtyXnsyfX1cZnJhY3tccGFydGlhbCB9e1xwYXJ0aWFsIHR9IFxsYW1iZGEgX3tmfQ%3D%3D
       因latex.action?latex=XGJpZ3RyaWFuZ2xlZG93biA%3D·D=ρ由电荷守恒定律可知
       latex.action?latex=XGZyYWN7XHBhcnRpYWwgXHJobyB9e1xwYXJ0aWFsIHR9K1xiaWd0cmlhbmdsZWRvd24gXGNkb3Qg%0D%0ASj0w
       而 latex.action?latex=XHJobyA9XGJpZ3RyaWFuZ2xlZG93biBcY2RvdCBEPVxmcmFje1xsYW1iZGEgX3tmfX17MlxwaSB9%0D%0AXGJpZ3RyaWFuZ2xlZG93biBcY2RvdCBcZnJhY3tyfXtyXnsyfX09XGZyYWN7XGxhbWJkYSBfe2Z9%0D%0AfXsyXHBpIFx2YXJlcHNpbG9uIHJeezJ9fQ%3D%3D
       latex.action?latex=XGJpZ3RyaWFuZ2xlZG93biBcY2RvdCBKX3tmfT1cZnJhY3tcc2lnbWEgX3tmfX17MlxwaSBcdmFy%0D%0AZXBzaWxvbiB9XGJpZ3RyaWFuZ2xlZG93biBcY2RvdCBcZnJhY3tyfXtyXnsyfX09XGZyYWN7XHNp%0D%0AZ21hIFxsYW1iZGEgX3tmfX17MlxwaSBcdmFyZXBzaWxvbiByXnsyfX0%3D
       所以  latex.action?latex=XGZyYWN7MX17MlxwaSByXnsyfX1cbGVmdCggXGZyYWN7XHBhcnRpYWwgXGxhbWJkYSBfe2Z9fXtc%0D%0AcGFydGlhbCB0fSArXGZyYWN7XHNpZ21hIFxsYW1iZGEgX3tmfX17XHZhcmVwc2lsb24gfVxyaWdo%0D%0AdCk9MA%3D%3D
       latex.action?latex=XGZyYWN7XHBhcnRpYWwgXGxhbWJkYSBfe2Z9fXtccGFydGlhbCB0fT1cZnJhY3tcc2lnbWEgXGxh%0D%0AbWJkYSBfe2Z9fXtcdmFyZXBzaWxvbiB9
       latex.action?latex=Sl97RH0rSl97Zn09XGZyYWN7MX17MlxwaSB9XGZyYWN7cn17cl57Mn19XGxlZnQoIFxmcmFje1xw%0D%0AYXJ0aWFsIH17XHBhcnRpYWwgdH1cbGFtYmRhIF97Zn0gK1xmcmFje1xzaWdtYSB9e1x2YXJlcHNp%0D%0AbG9uIH1cbGFtYmRhIF97Zn1ccmlnaHQpPTA%3D
       即传导电流与位移电流相抵消。
       (2)  (1) 中已得到   latex.action?latex=XGZyYWN7XHBhcnRpYWwgfXtccGFydGlhbCB0fVxsYW1iZGEgX3tmfStcZnJhY3tcc2lnbWEgfXtc%0D%0AdmFyZXBzaWxvbiB9XGxhbWJkYSBfe2Z9PTA%3D
       解微分方程得  latex.action?latex=XGxhbWJkYSBfe2Z9PVxsYW1iZGEgX3tmX3swfX1lXnstXGZyYWN7XHNpZ21hIH17XHZhcmVwc2ls%0D%0Ab24gfXR9  
       λf0为t=0时刻,λf的值。
       (3) 介质内的能量耗散是由电流的热效应引起的,故耗散能量密度为
       latex.action?latex=Sl97Zn1cY2RvdCBFPVxzaWdtYSBFXnsyfT1cc2lnbWEgXGxlZnQoIFxmcmFje1xsYW1iZGEgX3tm%0D%0AfX17MlxwaSBcdmFyZXBzaWxvbiByfSBccmlnaHQpXnsyfQ%3D%3D
       (4)长度为,的介质内总的能耗功率为
       latex.action?latex=UD1caW50IFxzaWdtYSBFXnsyfWRcdGF1PVxpbnRfe2F9XntifVxzaWdtYSBFXnsyfSgyXHBpIFxp%0D%0Ab3RhIHIpZHI9XGludF97YX1ee2J9XGZyYWN7XHNpZ21hIFxsYW1iZGEgX3tmfV57Mn1caW90YSB9%0D%0AezJccGkgXHZhcmVwc2lsb24gXnsyfX1cZnJhY3tkcn17cn09XGZyYWN7XGlvdGEgXHNpZ21hIFxs%0D%0AYW1iZGEgX3tmfV57Mn19ezJccGkgXHZhcmVwc2lsb24gXnsyfX1caW50X3thfV57Yn1cZnJhY3tk%0D%0Acn17cn09XGZyYWN7XGlvdGEgXHNpZ21hIFxsYW1iZGEgX3tmfV57Mn19ezJccGkgXHZhcmVwc2ls%0D%0Ab24gXnsyfX1sblxmcmFje2J9e2F9
       场的能量密度  latex.action?latex=Vz1cZnJhY3sxfXsyfShFXGNkb3QgRCtIXGNkb3QgQik%3D
       (1)中已证得介质内无磁场  
       故   latex.action?latex=Vz1cZnJhY3sxfXsyfShcdmFyZXBzaWxvbiBFXnsyfSk9XGZyYWN7XGxhbWJkYSBfe2Z9XnsyfX17%0D%0AOFxwaSBeezJ9XHZhcmVwc2lsb24gfVxmcmFjezF9e3JeezJ9fQ%3D%3D
       能量减少率为   latex.action?latex=LVxpbnQgXGZyYWN7XHBhcnRpYWwgXG9tZWdhIH17XHBhcnRpYWwgdH1kXHRhdSA9LVxpbnRfe2F9%0D%0AXntifVxmcmFje1xsYW1iZGEgX3tmfX17NFxwaSBeezJ9XHZhcmVwc2lsb24gcl57Mn19XGNkb3Qg%0D%0AXGZyYWN7XHBhcnRpYWwgXGxhbWJkYSBfe2Z9fXtccGFydGlhbCB0fVxjZG90IDJccGkgcmUgZHI9%0D%0AXGZyYWN7XHNpZ21hIFxpb3RhIFxsYW1iZGEgX3tmfV57Mn19ezJccGkgXHZhcmVwc2lsb24gXnsy%0D%0AfX1caW50X3thfV57Yn1cZnJhY3tkcn17cn09XGZyYWN7XHNpZ21hIFxpb3RhIFxsYW1iZGEgX3tm%0D%0AfV57Mn19ezJccGkgXHZhcmVwc2lsb24gXnsyfX1sblxmcmFje2J9e2F9
       由此可见介质内总的能量耗散功率等于静电能减少率。