插入电介质:两类能量过程实验台

同一初态,两种约束;先预测,再移动介质板。

静电场 · 第10章
电容能量实验台 等待预测
平行板电容器插入电介质示意图 上下两块金属极板之间由左向右插入电介质板,旁边显示电源连接或断开状态。 介质板 x = 0% · κ = 4.0 上极板 下极板

实时读数

C44.27 pF基准值
Q22.14 nC保持不变
U500.0 V基准值
E250.0 kV/m基准值
W5.53 μJ基准值
Q = Q₀ · 孤立

约束决定变化链

横向填充相当于“空气支路 + 介质支路”并联。

C = C₀[(1−x)+κx] = 1.000 C₀
Q 固定→U = Q/C→W = Q²/(2C)
插入介质使 C 增大;在 Q 不变时,U、E 与 W 都随之减小。

从 x = 0 到当前位置的能量账本

正号表示能量进入电场系统,负号表示能量从该通道离开电场系统。

ΔW场 = W电源→系统 + W外界机械→系统
电场能变化ΔW场
+0.000 μJ
电源做功W电源→系统
+0.000 μJ
外界机械功W外界→系统
+0.000 μJ
在孤立模式,电源通道为零。准静态插入时,外界做负功,电场力对介质做等量正功;电场能的减少转化为机械能。