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电场 正电荷产生的电场,与距离的平方成反比,方向朝外。负电荷产生的电场,与距离的平方成反比,方向朝内。电场是存在于电荷周围能传递电荷与电荷之间相互作用的物理场。在电荷周围总有电场存在;同时电场对场中其他电荷发生力或能的作用。观察者相对于电荷静止时所观察到的场称为静电场。如果电荷相对于观察者运动,则除静电场外,还有磁场出现。除了电荷可以引起电场外,变化的磁场也可以引起电场,前者为静电场,后者叫做涡旋电场或感应电场。变化的磁场引起电场。所以运动电荷或电流之间的作用要通过电磁场来传递。

电场力

电场力 是当电荷置于电场中所受到的作用力。或是在电场中为移动自由电荷所施加的作用力。其大小可由库仑定律得出。当有多个电荷同时作用时,其大小及方向遵循矢量运算规则。

简介

电场

电场

电场强度是用来表示电场的强弱和方向的物理量。实验表明,在电场中某一点,试探点电荷(正电荷)在该点所受电场力与其所带电荷的比值是一个与试探点电荷无关的量。于是以试探点电荷(正电荷)在该点所受电场力的方向为电场方向,以前述比值为大小的矢量定义为该点的电场强度,常用 E表示。按照定义,电场中某一点的电场强度的方向可用试探点电荷(正电荷)在该点所受电场力电场方向来确定;电场强弱可由试探电荷所受的力与试探点电荷带电量的比值确定。试探点电荷应该满足两个条件;(1)它的线度必须小到可以被看作点电荷,以便确定场中每点的性质;(2)它的电量要足够小,使得由于它的置入不引起原有电场的重新分布或对有源电场的影响可忽略不计。电场强度的实用V/m伏特/米或N/C牛顿/库仑(这两个单位实际上相等)。常用的单位还有V/cm伏特/厘米。
要注意的是,只要有电荷存在就有静电场存在,电场的存在与否是客观的,与是否引入试探点电荷无关。引入试探点电荷只是为了检验电场的存在和讨论电场的性质而已。正像人们使用天平可以称量出物体的质量,如果不用天平去称量物体,物体的质量仍然是客观存在的一样。
由于电场力满足矢量叠加原理,电场强度也满足叠加原理。

相关知识

电场强度的单位

牛(顿)每库(仑) 在国际单位制中,符号为N/C。如果1C的电荷在电场中的某点受到的静电力是1N,这点的电场强度就是1N/C。电场强度的另一单位是伏(特)每米,符号是V/m,它与牛每库相等,即1V/m=1N/C。

电场强度的定义

是放入电场中某点的电荷所受静电力F跟它的电荷量比值,定义式E=F/q ,适用于一切电场;其中F为电场对试探电荷的作用力,q为试探电荷的电荷量。单位N/C。 定量的实验证明,在电场的同一点,电场力的大小与试探电荷的电荷量的比值是恒定的,跟试探电荷的电荷量无关。它只与产生电场的电荷及试探电荷在电场中的具体位置有关,即比值反映电场自身的特性(此处用了 比值定义法),因此我们用这一比值来表示电场强度,简称场强,通常用E表示。

电场强度的方向

电场中某点的场强方向规定为放在该点的正电荷受到的静电力方向。
对于真空中静止点电荷 q所建立的电场,可以由库仑定律得出。
式中 r电荷q至观察点(或 q')的距离; r是由 q指向该观察点的单位矢量,它标明了 E的方向
电场

电场

静电场或库仑电场是无旋场,可以引入标量电势φ,而电场强度矢量与电位标量间的关系为负梯度关系
E=-▽γφ
时变磁场产生的电场称为感应电场,是有旋场。引入矢量磁位 A并选择适当规范,可得电场强度与矢量磁位间的关系为时间变化率的负数关系,即
感应电场与库仑电场的合成电场是有源有旋场。

均匀与非均匀

一对平行平板电极之间的电场,各点的电场强度完全相同,这种电场叫做均匀电场(如果极板尺寸比极板间距离大得多,那么极板边缘的电场不均匀部分,可不予以考虑)。
平行平板电场

平行平板电场

一个带电球体周围的电场,各点的电场的电场强度都不同,这种电场叫做不均匀电场。
带电球体周围的电场

带电球体周围的电场

计算

电场中某一点的电场强度在数值上等于单位电荷在那一点所受的电场力。试验电荷的电量、体积均应充分小,以便忽略它对电场分布的影响并精确描述各点的电场。
场强是矢量,其方向为正的试验电荷受力的方向,其大小等于单位试验电荷所受的力。场强的单位是伏/米,1伏/米=1牛/库。场强的空间分布可以用电场线形象地图示。
电场强度遵从场强叠加原理,即空间总的场强等于各电场单独存在时场强的矢量和,即场强叠加原理是实验规律,它表明各个电场都在独立地起作用,并不因存在其他电场而有所影响。以上叙述既适用于静电场也适用于有旋电场或由两者构成的普遍电场。 电场强度的叠加遵循矢量合成的平行四边形定则
电场强度的大小,关系到电工设备中各处绝缘材料的承受能力、导电材料中出现的电流密度、端钮上的电压,以及是否产生电晕闪络现象等问题,是设计中需考虑的重要物理量之一。
地球表面附近的电场强度约为100V/m。

电场强度概念

①定义:放入电场中某点的电荷所受静电力F跟它的电荷量比值,叫做该点的电场强度。
②定义式:E=F/q ,F为电场对试探电荷的作用力,q为放入电场中某点的检验电荷(试探电荷)的电荷量。
③电场强度的方向:规定为放在该点的正电荷受到的静电力方向。与正电荷受力方向相同,与负电荷受力方向相反。
物理意义:描述电场强弱的物理量,描述电场的力的性质的物理量。电场强度的大小取决与电场本身,或者说取决于激发电场的电荷,与电场中的受力电荷无关。
⑤适用条件:适用于一切电场。
⑥电场强度是矢量。
⑦电场的决定式:E=kQ/r 2(只适用于点电荷)。其中E是电场强度,k是静电力常量,Q是源电荷的电量,r是源电荷与试探电荷的距离。
⑧电场力:F=E×q

各类场强公式

电磁场

电磁场

真空中点电荷场强公式:E=KQ/r 2
匀强电场场强公式:E=U/d(d为沿场强方向两点间距离)
任何电场中都适用的定义式:E=F/q
平行板电容器间的场强E=U/d=4πkQ/eS
介质中点电荷的场强:E=kQ/(r 2)
均匀带电球壳的电场:E内=0,E外=k×Q/r 2
无限长直线的电场强度:E=2kρ/r(ρ为电荷线密度,r为与直线距离
带电半圆对圆心的电场强度:E=2kρ/R(ρ为电荷线密度,R为半圆半径
半径为R圆环所在的平面垂直,且通过轴心的中央轴线上的场强:kQh/(h 2+R 2) 3/2
对任意带电曲线的场强公式:E=∫kρ/r 2 ds....(r为距曲线距离,为坐标x,y的函数,ρ为电荷线密度)
同理,带电曲面为它的曲面积分。

外界对电场的另一种解释(外界提出能及单能模型)

以下理论来自业余物理爱好者郝迪及部分外界人士。
对于场的进一步理解,有外界认为场是“能”在粒子运动中的强度递变。
我们用原子来分析“能”的作用。作为一个显电中性的整体,电子和原子核因“能”的稳定存在而相对稳定。电子由于趋合而受作用力绕原子核高速运转。
我们先对“单能”作出概念假说:“单能”并不是广泛存在于宇宙环境中的,而是存在于物质内部及周围(由大爆炸产生)、大小未知、三维以上状态的具有张性的体膜状物。在真空状态下,若无“波”的影响及温度、射线影响下是没有“单能”存在的,且称这种环境为零环境。有人肯定会用卡西米尔力的存在来反驳此观点,其实卡西米尔力在零环境下是有的,但并不是由于零环境而具有的。同样,卡西米尔力也是由于“能”的作用产生的,这也是在测量卡西米尔力的实验中,为何要求两个金属板之间的距离要很近的原因(两板内侧的能在作用)。“单能”是能量的产物。经过多方面的猜测和考虑,我们认为它是能量、高温高压、辐射以及少量受高压作用后的基本粒子构成的实际物质。它可以为其它基本粒子的趋合作用提供运动热。“单能”的具体构成过程:(以下的假说建立在单能是三维状态下的,真实的单能可能会以高速旋转或运动的形式以多维的状态表现,处于三维状态的空间无法与其联系。即我们无法在三维状态观测到单能)
①受高压作用后的基本粒子被排成一列(在这个过程中还受到粒子趋合的影响,其中大部分原因来自高压结果),且受作用后的基本粒子被压成二维状态(平面状态)。压成二维状态后的基本粒子自动卷起来(三维状态),外形类似于开口子的囊。我们把开口的空间成为“前单能室”。(一般不存在量子化的概念)
②空间中的高温与能量进入到“前单能室”中,并将变形后的基本粒子列在未开口的一侧同时拉长(长度不限),则单能膜构成。
以上构成的物质就是单能。
以上所说的单能是所有物质之间存在的“能”的基本单位,由“单能”组成的“能”均匀地充斥在原子周围,使得原子本身表现稳定。当带负电荷的电子受外力影响而脱离原子核时,此时负电荷开始运动。“单能”则从远及近、从原来的均匀分布变向负电荷积聚提供给负电荷在运动过程中的热(“单能”表面的单能膜张力越大,所提供的能量和温度会越剧烈)。我们要注意的一点是,在此模型中,提供给微粒热的物质是“能”,我们初步可以把单能表面的膜张力作为微粒的运动热基础。也就是说,若拿原子举例,原子周围充斥着饱和的“能”以使得原子核及电子之间的运动状态稳定。在电子受到外力的影响作用时运动,“能”就为微粒的运动提供热,此时物体的内能发生改变。
用实例来说明“能”模型的作用。我们用铁棍用力敲打石灰岩,铁棍周围会有火花形成。在两物体以较大的作用力接触或碰撞时,会改变铁原子(一般金属原子的能易改变)的结构和形态,从而改变单能的稳定性。单能受到原子内部的影响时,当单能本身的张力变化过于剧烈时,单能膜就会破裂,叠加上前单能室的释放和温度、能量以及辐射以等离子的形态出现在三维空间,也就是热的表现。摩擦生热的微观原因,用能及单能来论述也是行的通的:两物体间用力摩擦并且沿相反方向做功一段时间时,两物体原子之间的能会受到强作用而改变单能膜的张力,从而释放热。

单能模型对电场力与场强的解释

在电场中正、负电荷之间(异种电荷)互相吸引,同种电荷相排斥。那么表现出来的现象就是靠近负电荷的“能”张力大且数量多。获得足够的“能”后,负电荷不再需要多余的“能”产生运动热,则会保持这样一种状态:离负电荷近的“能”之间张力很大、离其远的“能”之间能的数量递减且张力减弱,直至达到稳定状态下的“能”的张力大小。我们又把“能”产生的张力强弱方向成为“能聚势”,则此时,根据“能”张力的强弱以及分布的多少判断此时“能聚势”方向指向负电荷。
相反,原子因脱去电子而显正电,在电子运动获能的过程中,原子核周围的一部分“能”也会靠近电子去提供运动热,但造成的结果只是远离正电荷周围的少部分能的分布松散且张力向电子,但并不影响正电荷周围的“能”在向外具有张力的同时张力变大(比稳定时的大),分布也会变多。此时显然正电荷的“能聚势”是向外的,也就是说此时所有单能膜的表面张力都是由正电荷指向负电荷。而在只有正电荷存在的情况下,正电荷周围的单能张力方向指向无限远处,且单能数量递减。在只有负电荷存在的情况下,情况相反。
对于场强:这样解释就比较简单了。由于单能的数量靠近电荷多,远离电荷少,所以靠近电荷的膜张力大,张力沿着向外的空间递减直至没有。场强的问题其实就是张力大小的问题,表现出来的电场强度高的地方膜张力大,低的地方膜张力小。
对于同种电荷相吸引,异种电荷相排斥的解释:
如果用箭头来表示“能聚势”的方向,对于两种“能”是箭尾对箭尾或者是箭头对箭头的性质情况,此时“能”之间是无法重合的,也就是说只有能聚势不同的“能”才能相互无阻力重合。否则,不同性质的两种能无法重合(重合是为了达到原来的原子的稳定),会导致两种电性相同的电荷遭到排斥。
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