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电容器动杆电磁感应问题

电容器电流分析

一般高中物理很少涉及分析电容器的充电电流或放电电流。

我们知道,电容器的电容值 ,电荷量 和电容器两端的电压 满足 ,所以当电容器两端电压变化时,会有电流流过电容器,计算公式为

我们以这样的一个电路为例分析电容器充电电流的特点:

电动势为 ,内阻不计的电源与电容值为 的电容器和阻值为 的定值电阻串联,开关闭合后,回路中的电流如何变化?

电容器两端电压 满足

移项:

分离变量:

积分:

整理得

其中的 被称为电容器的充电时间常数,记作 ,可以用来衡量电容器充电所需时间。时间达到 时,,通常可以认为此后电容器就充满了。若电路中的电阻 小到可以忽略不计,那么就认为电容器瞬间完成了充电。

下面这幅图体现了 随时间的变化。

有外力无电阻

足够长的光滑平行金属导轨水平放置,间距为 ,左边接入电容为 的电容器,整个装置处于垂直导轨平面向下的匀强磁场中,磁感应强度为 。一个质量为 的导体棒与导轨垂直放置且接触良好,在大小为 的平行于导轨的恒力的作用下运动。不计一切电阻,初始状态下电容器的电量和金属杆的速度均为零。试分析金属棒的运动情况。

由于电阻不计,可以认为电容器充电是瞬间完成的,那么电容器两端的电压恒等于金属杆的感应电动势,即

根据电容器的电流特点,有

对金属棒,根据牛顿第二定律

所以

加速度 为定值,所以金属棒做匀加速运动

拓展:电阻不可忽略

此内容已超出高考范围。

此时电容器两端的电压不等于金属杆的感应电动势,金属棒不再做匀加速运动。下面计算推导其运动状态。

设金属杆的电阻为 ,导轨无电阻,根据基尔霍夫定律有 ,代入

根据牛顿第二定律

所以 式对时间求导得

整理得

,则上式可化为

结合初始条件 ,得

其中

从而

积分,结合

有初速度有电阻

废话不说,直接上方程

对金属杆,牛顿第二定律

积分,结合

代入,得

代入

,则

结合初始条件 ,得

最终趋于速率为 的匀速运动。

没有电阻?

此内容超出高考范围。

考虑能量,初态为滑杆动能 ,末态为滑杆动能和电容器电场能 ,损失的能量只能是通过电阻发热。

实际上,除了元件之外,任何电路都还有额外的电阻、电容、电感,一般电阻的效应最显著,所以我们只考虑电阻。如果是无电阻的超导电路,那么电感就不可忽略,即为 LC 震荡电路,在不考虑电磁波的情况下滑杆将做简谐振动。

简言之,无外力有初速度模型一定有电阻,没有电阻会出 bug。