伯努利方程在電介質流體中的應用

馮子江 魯 斌

(浙江省余姚中學 浙江 寧波 315400)

伯努利方程在力學中有廣泛的運用.由于其形式

式中不含電學量，故其在電學中應用甚少.在電介質流體的相關問題中，可將伯努利方程作適當推廣，以拓寬其應用范圍.

1 電勢能密度的導出

如圖1所示，一個電偶極子在非均勻場中的受力

(1)

其中p=ql為電偶極矩.

圖1 電偶極子在非均勻場中的受力

我們考慮體積為dV的分子團，單位體積內帶有n個電偶極子，現沿x方向由A到B，電場力做功

(2)

由極化強度矢量

(3)

將式(3)代入式(2)，有

則有

(4)

則

(5)

即為電介質在電場中的電勢能密度.

2 伯努利方程在電介質流體中的推廣

對于體積為ΔV的流體，根據伯努利方程，有

(6)

基于此，則在電介質流體定常流動的情況下，對原有的伯努利方程進行推廣，即

(7)

當然，若流體為其他性質的流體如磁介質等，方程還可做進一步相應的推廣.

3 電介質流體的平衡問題

如圖2所示，水平放置的平行板電容器，一塊極板在液面上方，另一塊極板浸沒在液面下，液體的相對介電常數為εr，密度為ρ，傳給電容器上下極板電荷面密度分別為σ，-σ后，電容器中的液面可能升高多少？[1]

圖2 帶有電介質流體的平行板電容器

3.1 能量極值求解法

如圖3所示，設極板面積為S，平衡后，新液面高出原液面的距離為h.

圖3 分析圖

在空氣中

(8)

在介質中，總場強

(9)

由于電場的不均勻性，電場能量分為兩部分，一是介質部分電場能量Ep1

(10)

二是真空部分電場能量Ep2

(11)

另外，介質液體還具有重力勢能Ep3

(12)

則總能量

由于平衡位置能量取極值，則有

化簡得到

(13)

3.2 運用電勢能密度的壓強性質求解法

為解決本題，我們構造一系列過程，如圖4所示.

體積為ΔV(ΔV→0)的分子團，處在A,B,C這3處時具有不同的電勢能密度，即對應不同的壓強.

圖4 構造過程

第一個過程，將分子團從電容外一點位置A(PA=0)移動到電容內等高的位置B，發生一段虛位移.

由于B點的電勢能小于A點，則分子團有從A向B側向進入的趨勢.產生的壓強差即為

(14)

第二個過程，從位置B移動到幾乎等高的介質表層位置C時

產生的壓強差即為

(15)

這里應該注意的是PC和EC的取值.此時分子團處在E0的外場中受力，所以

EC=E0

(16)

故由于C點的電勢能小于B點，則分子團有從B向C縱向上拱的趨勢.代入后，即可得到

(17)

(18)

根據受力平衡，有

(19)

3.3 關注始末狀態運用伯努利方程求解法

我們也可以直接用伯努利方程解決問題.構造一個從A到平衡后最高點D的過程.滿足

(20)

這里p的意義為由于水和大氣壓強所引起的總壓強.由于A點貼近液體表面，則有

pA≈pD=p0

又由于vA=vD=0，PC=PD，EC=ED，代入方程有

(21)

又h=hD-hA，則

(22)

4 結束語

運用電勢能密度與推廣后的伯努利方程解決電介質流體的平衡問題，為我們處理電介質問題提供了新的思路，為進一步推廣伯努利方程提供了可行的范式.