25.2:

球形和圆柱形电容器

JoVE Core
Physics
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JoVE Core Physics
Spherical and Cylindrical Capacitor
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April 30, 2023

球形电容器由两个半径为 R1(内壳)和 R2(外壳)的同心导电球壳组成。这些壳体分别具有相等和相反的 +Q 和 –Q 电荷。对于绝缘导电球形电容器,外壳的半径可以被认为是无限的。

通常,考虑到对称性,球形电容器的同心壳层之间的电场是径向向外的。通过在半径为 r 的球面高斯表面上应用高斯定律与壳同心计算出场的大小,由下式给出:

“方程

将电场代入电场-电容关系,得到电势为,

“Equation2”

但是,由于第二个球体的半径是无限的,因此势能由下式给出:

“Equation3”

由于电荷与电位差的比值是电容,因此隔离导电球形电容器的电容由下式给出,

“Equation4”

圆柱形电容器由两个长度为 l 且半径为 R1(内圆柱)和 R2(外圆柱)的同心导电圆柱体组成。圆柱体分别被赋予相等和相反的 +Q 和 –Q 电荷。考虑计算长度为 5 cm、半径为 2 mm 和 4 mm 的圆柱形电容器的电容。

已知量是电容器的长度以及内半径和外半径。可以使用已知值计算未知量的电容。

圆柱形电容器的电容由下式给出,

“Equation5”

当已知值代入上述公式时,计算出的电容值为 4.02 pF。