
证明:同轴线单位长度的静电储能We等于 。ql为单位长度上的电荷量,C为单位长度上的电容。
要证明同轴电缆单位长度的静电储能 We 的表达式,我们可以通过电场、势能和电荷来推导。
1. 相关公式
电容 C 和电荷 qL 的关系:
C=VqL
其中 V 是同轴电缆的单位长度的电压, qL 是单位长度上的电荷量。
静电储能 We 的表达式为:
We=21CV2
其中 C 是电容,V 是电压。
2. 电场和电压
对于同轴电缆,设外导体的半径为 R2,内导体的半径为 R1,电介质的相对介电常数为 ϵr,真空介电常数为 ϵ0。
电场 E 的表达式为(在导体之间的电场):
E(r)=2πϵ0ϵrrLqL
其中,r 是径向坐标,L 是单位长度。
电压 V 是由电场 E 积分得到的,电压是从内导体到外导体的积分:
V=∫R1R2E(r)dr=∫R1R22πϵ0ϵrrLqLdr
积分后得到:
V=2πϵ0ϵrLqLlnR1R2
3. 电容的计算
根据电容的定义 C=VqL,我们可以代入 V 的表达式:
C=2πϵ0ϵrLqLlnR1R2qL
化简得:
C=lnR1R22πϵ0ϵrL
4. 静电储能的计算
将电容 C 和电压 V 代入静电储能的公式 We=21CV2,我们有:
We=21(lnR1R22πϵ0ϵrL)(2πϵ0ϵrLqLlnR1R2)2
化简得到:
We=8πϵ0ϵrLqL2lnR1R2ln2R1R2We=8πϵ0ϵrLqL2lnR1R2
5. 结论
通过以上推导,我们得到了同轴电缆单位长度的静电储能 We 与单位长度的电荷量 qL、电容 C 和电压之间的关系:
We=2CqL2
这是我们所要求的证明。