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​电场

 cosmos2062 2023-03-10 发布于广东

放置在空间中的带电体会在空间中激发电场,带电体之间的相互作用通过这个电场传递。

库仑定律是静电学的基本定律。原则上说,库仑定律加上静电力叠加原理可以求解任意带电体的静电力问题。然而,库仑定律并没有说明电荷之间的相互作用是如何运作的。

经验告诉我们,两个物体之间要进行相互作用,就必须有相互接触,我们把这种相互作用称为接触作用或近距作用。然而,像万有引力和静电力这样的力,进行相互作用的两个物体并没有相互接触,它们之间的力是怎样传递的呢?
在电磁理论发展的初期,有一种观点认为,电荷之间的力是一种超距作用力,超距作用的观点最先体现在牛顿的万有引力理论中。根据超距作用的观点,相隔一定距离的两个物体的相互作用既不需要介质传递,也不需要传递时间。后来,法拉第在大量实验研究的基础上提出了以近距作用观点为基础的力线和场的概念。在这个基础上,麦克斯韦建立了完整的电磁理论。根据电磁理论,光是某个频率范围内的电磁波。
于是人们设想,电磁波是一种被称为 “以太” 的东西的扰动在传播,电磁力也通过以太传递。以太是亚里士多德为了填充宇宙中的虚空而假想的一种物质,人们曾经认为,光是以太的扰动在传播。然而,后来的实验却显示,根本就不存在 “以太” 这种东西。
尽管以太的观念在实验事实面前遭到了灭顶之灾,但是场的概念却保留了下来。今天,场的概念已经成为现代物理学中最重要的基本概念之一。
按照现代物理学的观点,物体之间的相互作用是通过场以有限的速率传递的。场是实在世界的基本存在形式,它具有能量、动量和质量等普通的有形物质所具有的基本属性,还具有波动性和叠加性等有形物质所没有的基本属性。实在世界的实物存在形式与场存在形式之间是可以相互转化的。实物场源可以激发相应的场,实物与实物之间的相互作用表现为相应的场之间的相互作用;由实物激发的场可以脱离场源独立存在,这是场的独立性;实物形式的物质在一定的条件下可以转化为场的存在形式;独立存在的场在一定的条件下也可以转化为实物形式的物质。现代粒子物理学的实验成果完全证实了现代场论关于实物与场之间的这些关系。
在讨论带电体之间的相互作用问题时,以上观念就表现为:带电体之间的相互作用是通过电场传递的。有电荷的空间就有电场,用物理学的术语讲就是,电荷在空间中激发电场。一个电荷所激发的电场对处于其中的任何别的电荷都有作用力,称之为电场力。
考虑一个相对于观测者静止的点电荷和一个同样是静止的试验电荷的相互作用。由库仑定律可知,试验电荷所受的静电力与其电量之比是一个与试验电荷本身无关的量,它反映了我们考虑的那个点电荷所激发的电场本身的特性,我们把这个特性称为该点电荷所激发的电场的电场强度。于是,一个点电荷所激发的电场在空间中任意一点的电场强度就可以被定义为:
其中 是试验电荷的电量,单位矢量从所考虑的点电荷指向空间中被研究的场点,我们原先把试验电荷放在这个点上以测试该点的电场强度, 是所考虑的点电荷到该点的距离。

由于我们所考虑的点电荷是静止不动的,空间中任意一点到该点电荷的方向和距离不随时间改变。因此,从电场的表达式可以得出,这个点电荷激发的电场在空间中任意一点的电场强度也不随时间改变。我们把具有这种性质的电场称为静电场,在不引起误会的情况下,习惯上把静电场就简称为电场。

可以把点电荷激发的电场的这个定义推广到更一般的情况:当空间中存在一个电场时,这个电场在空间中任意一点的电场强度正比于放置在该点上的试验电荷所受的静电力:

前面已经讲到,电荷的存在必定会在空间中激发电场,试验电荷也不例外。因此,在利用电场强度的这个定义测量空间中的电场时,必须确保试验电荷的电量足够小,以致它所激发的电场不会明显地干扰原先的电场;还要确保试验电荷的线度足够小,使得测量所得到的量确实是空间中的一个 “点” 上的电场。
把电场强度的这个定义应用到点电荷组,由静电力的叠加原理可以得到这个点电荷组所激发的电场在空间中任意一点的电场强度:
这个结论被称为场强的叠加原理。在这个表达式中,下标字母 用来标记所考虑的点电荷组的各个点电荷, 是第 个点电荷所激发的电场在空间中任意一点的电场强度, 是第 个点电荷到所研究的点的距离, 从第 个点电荷指向这个点,求和符号表示对所考虑的点电荷组的各个点电荷实施求和。

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