平行板电容器两个竖直极板之间有一个距离d,有一块电介质的厚度也等于d,不考虑间隙造成的摩擦,则该介质体可自由出入两极板之间的空间。设一切都是在无阻力、无损耗的情况下进行。
最初,电介质体被丝线悬挂在电容器极板高度,并被机械挡在极板之外,不考虑电介质体受地球引力造成的单摆作用。这时给电容器充上电量Q后断开电源,空心电容器的电容量是C,设电介质的相对介电常数是 ε>1。此时若撤除机械阻挡,电介质体是会两极板排斥得更远还是被吸引进两极板之间呢?
答案是,两极板会将电介质吸引进来。电容器极板间构成的偶极电场先极化电介质,和电介质体产生偶极电场力,把它吸引到两极板中间来。
那么为什么产生的极化不是排斥的呢?因为这是场势能最小原理所决定的。电容器电场对外部物体产生的极化和与其产生的偶极电场力,一定是它们受力后的运动趋势方向是减少场势能的方向。空心电容器的电场势能是E=(1/2)CU^2 ,如果有电介质进来,则电容量会变成εC,电压会下降到C/ε,电场势能会下降到E=(1/2ε)CU^2,因此,吸引介质的结果是场势能下降。这也是场势能最小原理。
电容器的储能下降,能量去了哪里?它变成了介质的动能。设介质面积和极板面积一样大,则介质完全进入两极板时,电容器具有最小势能,而电介质体具有最大动能。这就和单摆差不多了。该动能等于电容器所减少的势能。运动的电介质体经过最大速度点时,继续向前冲,电容器的电势能又重新变高,对电介质体又有了反方向的偶机电场力。在不考虑各种损耗(机械损耗、极化损耗)时,该振荡会持续下去。
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