電場

通常物體的受力是通過直接接觸傳導的,但帶電體之間相隔一定距離卻仍受到靜電力的作用。庫侖力究竟是如何傳遞?19世紀30年代英國物理學家法拉第提出了場的概念:任何電場在自己周圍空間激發電場,而電場的基本性質是它對於處在其中的任何其他電荷都有作用力,稱爲電場力。因此電荷之間是通過電場發生相互作用的。

近代物理學的理論和實驗完全肯定了場的觀點,並證實電磁場可以脫離電荷和電流而獨立存在,它具有自己的運動規律和特性。相對於觀察者靜止的電荷在其周圍產生的電場稱爲靜電場。靜電場的特徵是不隨時間變化,只是空間座標的函數。

電場強度

電場強度及電偶極子場強

試驗電荷在電場中不同位置的受力情況

如圖所示,空間中有一電荷Q,同時引入電荷q0(滿足電荷q0相對於Q很小,即不影響原來的電場分佈;電荷q0幾何尺寸相對於兩電荷距離很小,視作點電荷)。試驗發現試驗電荷q0在不同位置,受到的電場力F大小和方向是不同的;而對於電場中的某一固定點來說,比值F/q0無論大小還是方向都與試驗電荷q0的大小、正負無關,是一個不變的矢量,它反映了電場本身的性質。因此把正電荷在電場中某點所受的力F與試驗電荷電量q0的比值定義爲該點的電場強度,簡稱場強,即場強E=F/q0。也就是說電場中某點的電場強度等於放在該點的單位正電荷所受的電場力。電場強度是矢量,滿足矢量運算法則。在電場中各點的電場強度可能不同,因此E是空間座標系的矢量函數。在靜電場中,任一點只有一個電場強度E與之對應,即靜電場具有單值性,當電荷分佈一定時就可以確定電場強度的分佈。若電場中空間各點的場強E大小和方向都相同,則這樣的電場叫做均勻電場。電場強度的單位是牛頓每庫侖,等價於伏特每米。

電場強度及電偶極子場強

電場強度直觀感受

電電荷在其自身周圍產生的電場是球對稱分佈的。電場強度的疊加原理:點電荷系產生的電場中任意點的電場強度等於各個點電荷單獨存在時在該點產生的電場強度的矢量和。

電偶極子的電場強度

兩個等量異性點電荷,它們之間的距離l與所討論的場點的距離相比小得多時,這是電磁學中常見的物理模型電偶極子,在研究電介質的極化、電磁波的發射等問題時,常用到電偶極子及電偶極子的電場等概念。

電場強度及電偶極子場強

電偶極子的電場

如圖建立座標系,以電偶極子軸線中心爲座標原點O,中垂線上任意點P到O的距離是r,根據電場強度疊加定理可知P點的場強E沿X軸負方向,其值的大小爲:

電場強度及電偶極子場強

電偶極子中軸線上某點電場

假如r遠大於l,可以得出結論:離電偶極子很遠的點的場強是隨着距離r的三次方衰減的。

上述只是討論了中軸線上的情況,我們還可以在橫向上討論,假設P點是正電荷。

電場強度及電偶極子場強

電偶極子對P點場強

電場強度及電偶極子場強

電偶極子橫向某點場強

同樣可以看出P點離電偶極子的場強隨着距離的三次方衰減。

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