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 和 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 得
根据牛顿第二定律
所以 式对时间求导得
整理得
记 ,,则上式可化为
结合初始条件 ,得
其中
从而
积分,结合 得
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 得
将 代入,得
把 , 代入
得
记 ,,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。