存在于电荷周围的特殊物质叫电场。凡是有电荷的地方,周围就存在,即任何电荷都在自己的周围空间激发电场;而电场的基本性质是,它对处于其中的任何其它电荷都有力的作用,这个力叫电场力。
因此,电荷与电荷之间是通过电场相互作用的。
电场虽然不象原子、分子组成的实物那样看得见,摸得着,但近代物理的发展证明,它具有一系列物质的属性,如具有能量、动量,能施于电荷的作用力等等,因而能被我们所感觉。因此,电场是一种客观存在,是物质存在的一种形式。电场只是普遍存在的电磁场的一种形式。电磁场的物质性在它处于迅速变化的情况下才能更明显地表现出来,这个问题到了电动力学才进行详细的讨论。本章只讨论相对于观察者静止的电荷在其周围空间激发的电场,即静电场。
二、电场强度矢量
1、定义
对于电场中任一固定点,检验电荷所受电场力与检验电荷的电量的比值与无关,它反映了电场在点的性质。我们把它定义为电场强度矢量,简称场强,用 表示,即
定义:电场任一点的电场强度是一矢量,其大小是单位电荷在该点所受电场力的大小,其方向与正电荷在该点所受的电场力的方向一致。
单位:牛顿/库仑(N/C),伏特/米(V/m)。
如果电场中各点场强的大小和方向均相同,这样的电场称为均匀场,其场强矢量是相互平行的直线。
2、点电荷的场强 在处有一点电荷 ,在 处放一检验电荷,点电荷 之间的相互作用力为 根据场强的定义, 点的场强为 |
当 时,点的场强沿矢径方向背离源点 ;当 时, 点的场强 沿矢径方向指向源点。
三、场强叠加原理
设空间有一组点电荷,它们单独存在时对检验电荷 的电场力分别为 , 则
根据场强的定义,得
式中 分别代表 单独存在时所激发的电场在点的场强。
结论:一组点电荷所激发的电场在任一点的场强,等于各个点电荷单独存在时所激发的电场在该点场强的矢量和。这个结论叫电场强度矢量叠加原理,简称场强叠加原理。
四、场强的计算
1、点电荷和点电荷系的场强
点电荷
点电荷系
例:求电偶极子的场强。
(1)连线延长线上点的场强
点电荷和 存在时在 点产生的场强大小为
(方向向右)
(方向向左)
合场强的大小为
因为 ,所以
(方向向右)
(2)中垂线上点的场强
点电荷和 存在时在点产生的场强大小为
合场强的大小为
而
所以,合场强的大小为
由于 ,那么
电偶极子的场强只与和的乘积有关,这一乘积反映电偶极子的基本性质,它是一个描述电偶极子属性的物理量。我们将 定义为电偶极矩,其中的方向是由指向。这样,电偶极子的场强公式可以写为:
在延长线上:
在中垂线上:
2、电荷连续分布带电体的场强
(1)电荷的体分布
设有一电荷连续分布的带电体,电荷体密度为,在带电体中取一体积元 ,则该体积元中的体电荷元为 ,它产生的场强为
由场强叠加原理,得整个带电体产生的场强为
(2)电荷的面分布
设有一电荷连续分布的带电面,电荷面密度为 。在带电面中取一面积元,则该面积元中的面电荷元为 ,它产生的场强为
由场强叠加原理,得整个带电面产生的场强为
(3)电荷的线分布
有一电荷连续分布的带电导线,电荷线密度为 ,在带电导线中取一线段元,则该线段元中的电荷元为 ,它产生的场强为
由场强叠加原理,得整根带电导线产生的场强为