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地特三等申論題 109年 [電子工程] 電磁學

第 一 題

📖 題組:
於空氣中有一球形水滴,半徑為 0.1 mm,帶有電荷,其承受電場 100 V/m 之電力和反承受之重力相同。
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (一)

計算水滴之電荷值。(10分)

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考生看到此題應立即聯想「靜力平衡」條件。只需列出靜電力公式(F = qE)與重力公式(F = mg)使其相等,並結合水滴體積與密度求出質量,即可輕鬆解出電荷值。

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【解題思路】利用牛頓第一運動定律之靜力平衡條件,使水滴所受之靜電力與重力大小相等即可求得電荷量。 【詳解】 已知:

小題 (二)

計算水滴電荷產生之電場值。(5分)

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面對此題,考生應首先想到利用靜力平衡條件(水滴受到的重力等於外加電場力)來解出水滴所攜帶的未知總電荷量。接著,套用高斯定律求出該電荷量在水滴表面及周圍空間中所產生的自身電場大小,並注意常數與單位的精確轉換即可得分。

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【解題思路】利用靜力平衡條件求出水滴帶電量,再依據高斯定律求出帶電水滴在空間中(特別是其表面)產生之電場分佈。 【詳解】 已知:

小題 (三)

已知空氣被打穿之電場為 3 × 10⁶ V/m,此水滴是否承受此電荷?(5分)

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面對此題,應具備『力學平衡』與『邊界電場』雙重檢核的思維。首先,利用水滴受到的靜電力與重力平衡(qE = mg),求出水滴所攜帶的總電荷量;接著,運用高斯定律計算該電荷量在水滴表面造成的自發電場,並將其與空氣的崩潰電場進行比較,若表面電場大於崩潰電場,則電荷將會游離洩漏,水滴無法承受此電荷。

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【解題思路】結合力學平衡方程式求解帶電量,並利用高斯定律(Gauss's Law)計算水滴表面的法向電場,最後與空氣崩潰電場之邊界條件進行比對。 【詳解】 已知:條件整理

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