仿照重力場中的重力勢能,電場力所作的功等於電勢能的變化,若用表示電勢能,則在理解電勢概念時應注意以下幾點:
1.電勢值是相對的,與零電勢參考點的選擇有關。電勢差是絕對的,與電勢參考點的選擇無關。
一般情況下,對有限帶電體,選無窮遠為電勢參考點。而對無限帶電體(無限長帶電體,無限長圓柱麵等)隻能選有限遠處為零電勢參考點。
2.電勢是標量,是空間坐標的函數。
3.電勢和電勢能是兩個不同的概念,電勢是電場的屬性,與外界電荷無關;電勢能是電荷與電場的電勢共同決定的能量,如果不引入電荷,就沒有電勢能,但電勢作為電場的屬性總是與靜電場同時存在的。
【電通量】電場強度有限曲麵的電通量:閉合曲麵的電通量:電通量概念的理解應注;下幾點:
1.空間點函數,而的麵元通量不是點函數,因為師還由石的數值和取決定。
2.電通量是代數量。場強與麵元矢量的點乘積結果是標量。
高斯定理解應明確:
1.定理中的是指總場強,即閉合麵合麵外所有電荷產生的總場強。而閉合麵的,僅由閉合麵內的電荷決定,與閉合麵內電荷的分布無關;與閉合麵外是否存在電荷無關。
2.閉合麵內電荷的代數和。不意味閉合麵內一定沒有負電荷,相反,不意味閉合麵內一定沒有正電荷。更應該注意的是,不意味閉合麵內一定沒有電荷,而可能是有等量異號的電荷,同時隻能說明閉合麵的總通量為零,而並非麵上的場強處處為零。
論電荷分布如何,高斯定理總是成立的,但要用其求解場強玉,則要求電荷分布有某種對稱性。(例如:電荷分布具有點對稱性、軸對稱性或麵對稱性等)。但是並非所有對稱分布的場強,利用高斯定理都能求出,如一對等量異號電荷的電場。
【環流定理】靜電場中場強沿任意閉合環路的線積分等於零,或單位正電荷繞閉合環路一周靜電場力的功為零。
對此式應理解:
1.某點的場強與該點的等勢麵垂直,且指向電勢減小的方向。
2.某點場強的大小等於該點電勢沿等勢麵法向的變化率,這一關係使我們有可能由已知的電勢分布求各點的加強。
3.電勢U是標量,但U沿某一方向的變化率是矢量。
8.3學習指導
一、基本思路
本章的基本習題有以下幾方麵的內容:已知電荷分布計算電場強度和電勢,已知場強和電勢的分布求電荷;以及電場中功和能等問題的計算。
電場強度的計算
(1)直接積分法。
若計算電荷連續分布的帶電體在空間一點所激發的電場時,可將帶電體分成許多小電荷元每一個電荷元可視為一個點電荷,於是電荷元,在場點P產生的電場。
表示電荷元所在點到場點P方向的單位矢,這樣整個帶電t在P點產生的總場強就是所有電荷元在該點產生的各個元電場G的矢量和,由於電荷分布的連續性,求和可化為對整個帶電體的積分。
(2)由高斯定理求解
利用該定理求場強是有條件的,要求帶電體的電荷分布一定具有某種對稱性,使其發的電場才能具有某種對稱性。這樣才能使矢量積分,把提到積分號外麵,再通過運算將場強求出,另外當電場分布具有某種對稱性時,根據場強分布的對稱特點,才能選擇合適的高斯麵。例如,軸對稱、麵對稱、體對稱分布的電場才能應用高斯定理求出。
具體方法是:
根據題意對電場進行對稱性分析判斷是否具有使用高斯定理求電場的條件。
若電場有某種對稱性則選取形狀適當的高斯麵,其高斯麵力求簡單規則以便於計算(如球麵,圓柱麵等)若求場中P點的場強,高斯麵必須通過所求的P點,同時選取的高斯麵上各點場強大小相等,或者使一部分高斯麵上的場強處處為零。而其餘麵上各點場強大小相等。
(3)利用場強與電勢的微分關係計算電場強度。
(4)利用典型場疊加求場強。
二、例題剖析
從已知條件可以看出,帶電半球麵所激發的場不具有某種對稱性(軸對稱,球對稱和麵對稱),因此不能用高斯定理求場
【例2】無限長帶電圓柱體,其電荷體密度為P,求圓柱體內、外的場強的分布。
【解】1.對稱分析
由於電荷分布具有軸對稱性,而且圓柱體外任一點P的合場強,沿垂直帶電圓柱體軸線的方向。場強的空間分布是以圓柱體軸線對稱成輻射狀(即軸對稱),因而可利用高斯定理求場強。
2.選取適當的高斯麵
由於場強分布具有軸對稱性,則距軸等遠處的場強大小都相等,這樣,隻要過場點P作一個以帶電圓柱體軸線為軸的圓柱高斯麵,就有高斯麵側麵上各場強大小相等;且方向處處與麵元法線平行。由於上下底麵與麵元法線方向垂直,則通過上下底。
【例3】均勻帶電球半徑,電荷體密度為P,在其內挖去以為中心,半徑為r的球體,求腔內任一點P的場強。
【解】在計算這種不規則帶電體的場強時,可利用某些典型的場強公式,靈活運用疊加原理來求解。(通常稱為補償法或挖補法)。
從疊加原理出發,在均勻帶電球體內挖去一個小球體,可等效為一個電荷體密度為+P的完整均勻帶電實心球體和一個電荷體密度為P的小均勻帶電實心球體的組合,在小球體區域上正負電荷完全抵消不帶電。
【例4】求均勻帶電圓盤軸線上的電勢分布,並由電勢分布求場強的分布,設圓盤半徑為R,電荷的麵密度為a。
【解】本題利用均勻帶電圓環軸線上一點的電勢公式再疊加(積分)求出電勢分布。然後再利用場強和電勢的微分關係求出電場強度的分布。