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​等量异号的点电荷对

 cosmos2062 2023-03-22 发布于广东

一对等量异号的点电荷,在它们的连线上,以及在连线的中垂面上,各个空间点上的电场强度均沿着连线的方向。

我们通过库仑定律导出了单个点电荷所激发电场的电场强度表达式,并通过静电力的叠加得出了多个点电荷的电场强度的表达式。最简单的点电荷组是由两个点电荷组成的系统,根据场强叠加原理,这两个点电荷所激发电场的强度为
一种常见的情况是,这两个点电荷的电量数值相等,符号相反:
并不失一般性地假定 。在这种情况下,它们的电场强度为:
要求出这一对等量异号的点电荷激发的电场在空间中任意点上的电场强度,这并不是一件容易做到的事情,它会有一个比较复杂的表达式,我们将会在更进一步的课程中讨论这个问题。目前比较容易做的是,求出在这两个点电荷的连线上或中垂面上的电场强度。
假定这两个点电荷的间隔为 ,选择它们的连线的中点为坐标原点,沿着连线为 轴,从负电荷指向正电荷为正方向, 轴沿着纸面垂直于 轴,向上为正方向。
先来看在这个电荷对的连线上的空间点。为了确定起见,假定要求的空间点在正电荷的外侧。对于这样的空间点,从这两个点电荷到这个空间点的距离分别为
相应的单位矢量都是 。根据 (1) 式,该点的电场强度为:
在这些空间点上,显然有 ,因此,电场强度指向 轴的正方向。
其实,仅通过定性的分析就可以确定电场的方向。由库仑定律可知,正电荷的电场背离电荷本体,而负电荷的电场则指向电荷本体。对当前这个问题,在正电荷的外侧,正电荷的电场背离原点,场强较强,负电荷的电场指向原点,场强较弱。因此,总场强指向 轴的正方向。利用同样的分析方法或者数学推导方法可以得到,在负电荷的外侧,总场强也指向 轴的正方向,而在两个电荷之间的空间点上,总场强则指向 轴的负方向。

再来看中垂面上的空间点。不难明白,在这个问题中,电场强度具有绕 轴的旋转对称性,因此,只要求出 轴上的电场强度,中垂面上的电场强度也就求出来了。在中垂面上,任意点到两个点电荷的距离相等:

但是,相应的单位矢量不一样,它们分别为

把这些量的表达式代入公式 (1) 中,即可得到电场强度的表达式:
另一方面,从示意图可以判断:
于是,中垂面上各点的电场强度为:
结果发现,在中垂面上,电场强度总是指向 的负方向。
定性上看,由于中垂面上的空间点离开两个点电荷的距离相同,因此,两个点电荷的电场强度在该点处的数值相等。另一方面,两个点电荷的电场的方向关于 轴对称,使得该点上的电场强度在  方向上的分量相消,只剩下 方向上的分量相叠加,这导致了中垂面上的电场指向 的负方向。

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