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UniversityPhysicsJune32025Part4Electromagnestism9.7Capacitor9.7.1CapacitanceofIsolatedConductors9.7.2Capacitanceofacapacitor9.7.3CalculatingtheCapacitanceofCapacitor9.7.4CapacitorsinParallelandSeriesContents:9.7.1CapacitanceofIsolatedConductorsApairofconductors,whetherseparatedbyemptyspaceorbyanonconductingmaterial,formsacapacitor.Unit:1F=1C/V,F,pFDefinitionTuningFunctionStoresenergyFilterClassificationExampleWhatisthecapacitanceofanisolatedconductingsphereofradiusR?Calculatethecapacitanceoftheearth(theradiusofearthisabout6400km)?Solution:Iftheearthhavebeenchargedwithq,thenthenpotentialisThecapacitanceis9.7.2CapacitanceofacapacitorThecapacitanceofacapacitorisdefinedastheratiooftheamountofelectricitychargedq(q>0)ononeplatetothepotentialdifferenceΔVbetweenthetwoplates,thatis,Thecapacitanceofacapacitordependsonthesize,shape,andrelativepositionoftheplatesandthepermittivityofthedielectricbetweentheplates,anditdoesn’tdependonwhetherthecapacitorischargedornot.極板極板+
Q-
Q
V9.7.3CalculatingtheCapacitanceofCapacitorSteps:
1.Assumeachargeqoneachplateofacapacitor.2.CalculatetheelectricfieldEbetweentheplatesintermsofthischarge,usingGauss’law,3.CalculatethepotentialdifferenceVbetweenthetwoplates,
4.CalculateCfrom
1.ParallelPlateCapacitorFindthecapacitanceofaparallel-platecapacitorwithplatesofareaAseparatedbyasmalldistanced.2.CylindricalCapacitorAcylindricalcapacitorisaconductorsetconsistingoftwocoaxialcylindricalconductorcylinders.andtheradiusoftheinnerandoutercylindricalconductorsareR1andR2,respectively.3.SphericalCapacitorAsphericalcapacitorconsistsoftwothinconcentricsphericalconductingshells,ofradiiaandb.Determinethecapacitanceofthiscapacitor.9.7.4CapacitorsinParallelandSeriesCapacitorsinParallelPotentialdifferencebetweenaandbCharges
Equivalentcapacitance
ThereforeEndurancevoltageisunchanged.CapacitorsinSeriesPotentialdifferencebetweenaandbChargesEquivalentcapacitanceThereforeEndurancevoltageincreases
CapacitorsinSeries9.8ElectrostaticEnergy9.8.1Electrostaticenergyofachargedsystem9.8.2ElectrostaticEnergyofAnElectricalFieldContents:9.8.1ElectrostaticenergyofachargedsystemEnergyinaChargedCapacitorTheenergystoredinacapacitorwillbeequaltotheworkdonetochargeit,Atagiveninstant
Ifanadditionalelementofchargedq
istransferred,theamountofworkrequiredisThetotalworkWneededtoincreasethecapacitorchargefromzerotoafinalvalueq9.8.2ElectrostaticEnergyofAnElectricalFieldEnergyinElectricFieldsElectricfieldenergydensityForanyfieldExample9.8.1
Inthesphericalcapacitor,thevolumebetweentheconcentricsphericalconductingshellsisfilledwithaninsulatingoilwithdielectricconstant
r.FindtheenergystoredinthiscapacitorwithachargeQ.Solution:AccordingtoGauss'slawindielectrics,wehaveThen,themagnitudeoftheelectricaldisplacementD
betweenthesphericalshellsisTheenergydensityoftheelectricfieldisThetotalenergystoredintheelectricfieldisSummaryCapacitanceCalculatingtheCapacitanceofCapacitor
1.Assumeachargeqoneachplateofacapacitor.3.CalculatethepotentialdifferenceVbetweenthetwoplates,
4.CalculateCfrom
2.CalculatetheelectricfieldEbetweenthe
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