知识点

电学基本概念

电荷、电荷守恒、电荷量子化(最小电荷为电子电荷)、点电荷模型(忽略大小和形状)

高斯定理:描述带电量和电场的关系

库伦定理:力与带电量的关系

电场与电场强度

电荷间电相互作用的传递是需要通过电场媒介传播的,因此需要一段时间。

基本的计算方法是叠加法,这里我们使用叠加法,先计算圆环,通过叠加同心圆环,得到圆盘的电场强度,通过叠加圆盘,得到圆锥的电场强度,对于圆盘,取半径趋于无穷大,可以得到平面的电场分布,通过叠加平面,可以得到有厚度平板的电场分布。

直线的电场分布

无限长均匀带电直线

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给出和直线两端连线的夹角

Ex=θ1θ2λcosθ4πε0adθ=λ4πε0a(sinθ2sinθ1)
Ey=θ1θ2λsinθ4πε0adθ=λ4πε0a(cosθ1cosθ2)

带电圆环

电荷 q 均匀分布在半径为 R 的圆环上,计算离圆环中心 x 处点的场强。

dl 长度所带的电量:

dq=q2πRdldE=dq4πε0r2=qdl8π2Rε0r2

然后:

E=cosθdE=q4πε0r2cosθ=q4πε0x(x2+R2)3/2

带电圆盘

均匀带电圆盘,半径为 R,面电荷密度为 σ,则

dq=σ2πrdr

对应 dE,则

dE=dqx4πε0(x2+r2)3/2=σ2ε0xrdr(x2+r2)3/2

总电场为:

E=0Rσx2ε0rdr(x2+r2)3/2=σ2ε0(1xx2+R2)

若令 P 点和圆盘边沿形成的直线和 x 轴成的夹角为 θ,也可以表示为:

E=σ2ε0(1cosθ)

讨论:

电势:

V=σ2ε0(R2+x2x)

带电圆锥

求高为 H,底面半径为 R 的均匀带电锥体(电荷体密度为 ρ)在顶点处的电场强度。

可以看做圆盘的叠加,在高度为 z 处取高度为 dz 的圆盘切面,则半径为 R(Hz)/H,电荷面密度为 ρdz。对顶点处场强的贡献为:

dE=ρdz2ε0(1cosθ)

其中 cosθ=H/R2+H2,为常数,因此:

E=0Hρdz2ε0(1cosθ)=ρH2ε0(1H/R2+H2)

E=Ek. 如果不是在圆锥的顶点处,情况会更加复杂,因为 θ 不是一个常数。

带电有厚度平板

带电平板厚度为 a,电荷体密度为 ρ=kx(0xa),求板外场强大小。

等效面电荷密度:σ=ρdx,则:

E=0aσ2ε0=0akxdx2ε0=ka24ε0

高斯定理

电场线

  1. 曲线上每一点的切线方向代表电场强度 E 的方向。

  2. 曲线的疏密表示该点处场强 E 的大小,即通过垂直单位面积的电场线条数。

  3. 电场线起始于正电荷,终止于负电荷。

  4. 电场线不闭合,不相交。

电通量

电通量 的定义,通过电场中任一曲面的电场线条数:

Φ=EScos(θ)=ES

通过任意曲面的电通量如何计算:

Φ=dΦ=EdS

高斯定理

高斯定理:定量描述源电荷和电通量的关系。

高斯定理

SEdS=1ε0iqi=1ε0VρdV

相对于库伦定理,高斯定理更加根本。

取球面包含点电荷

Φe=SEdS=S0qdS04πε0R2=q4πε0R24πR2=qε0

立体角的定义 面元 dS 边缘各点到 O 点连线形成锥体的顶角。

dΩ=dSr2cosθ=dS0r02

由库伦定理证明高斯定理

点电荷的情况:

E=q4πε0r3r
dΦ=EdS=q4πε0r3rdS=qdScosθ4πε0r2=q4πε0dΩ
SEdS=q4πε04π=qε0

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高斯定理的微分形式

SEdS=1ε0ρdV

利用数学上的高斯定理:

VEdS=VEdV

得到

E=ρε0

对电荷分布具有高度对称的情况,可以借助于高斯定理。

高斯定理的应用

求无限长均匀带电直线的电场分布,取半径为 x 的圆柱面,长为 l

ΦE=2πxlE=λlε0

(顶面和地面的电通量都为 0)

Ep=λ2πε0xi

求均匀带电球体的场强分布。(已知球体半径为R,电荷密度为r

根据 对称性分析,电场分布也应具有球对称性。

|E(r)|=constr=const

且电场强度方向沿径向。

E=E(r)er

可以选择以球面为中心的球面为 Gauss 面。

  1. 球面为中心:

    E(r)4πr2=SEdS=ρ4πR3/3ε0
    E(r)=ρR33ε0r3r
  2. 球体内一点的场强,取 R=r

    E(r)=ρ3ε0r

无限大均匀带电平面的电场分布(电荷面密度为s)

根据 对称性分析,电场分布应具有(1)沿平面方向的平移对称性,即离开平面相同距离的地方场强大小相等;

(2)对平面的反演对称性,即平面前后相同距离的地方场强大小相等;

(3)电场方向沿垂直于平板平面方向。

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遇到有限尺寸的物体,不方便用高斯定理。如果能过拆分成若干具有对称性的物体也可以。

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无限大平面挖掉圆盘:

E=σ2ε0cosθ

环流定理 电势

电势能怎么求?

先从点电荷做功开始:

E=Feqo=keqr2r^

受到的电磁力:F=q0E.

移动 ds,电场力做功:Fds.

当路径从 AB,比较复杂,则

W=ABFds.W=q0ABEds.

电势能改变为:

ΔU=W=q0ABEds

静电场力做功的特点

  1. 点电荷:dA=q0Edl=q0q4πε0r3rdl.

    极坐标系下,r=rer. dl=drer+eθrdθ. rdl=rdr

    因此 dA=q0q4πε0r2dr.

    Aab=rarbq0q4πε0r2dr=q0q4πε0(1ra1rb)

    所以是保守场。

电势能的定义:ΔU=q0ABEds.

电势的定义:V=Uq0. ΔV=ABEds. VA=AEds.

点电荷电势:

V=q4πε0r
  1. 任意带电体的电势:

    1. 由电势定义式出发进行计算 V=(P)P(0)Edl.

    2. 对于点电荷系:V=iVi

    3. 对于连续电荷分布,有:V=(Q)dVV=(Q)dq4πε0r.

环路定理:

LEdl=0
×E=0

计算均匀带电球面的电势分布。

均匀带电球面的电场分布为:

E=0,r<R;Q4πε0r2,r>R

当在球内:

V=Q4πε0R

当在球外:

V=Q4πε0r

电势与电场强度的微分关系

等势面 将电势相等的场点连成连续的曲面,满足 V(x,y,z)=c. 通常约定相邻等势面的电势差为常量。

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在直角坐标系中,

E=(Vxi+Vyj+Vzk)=V

在极坐标系中,

dV=Vrdr+Vθdθ
Edl=(Erer+Eθeθ)(drer+rdθeθ)=Erdr+Eθrdθ

得到 Er=Vr,Eθ=Vrθ.

(1)E=(Vrer+1rVθeθ)

也可以这么考虑,在 r 方向,没有变化,但是在 θ 方向,变化 dθ,代表经过 rdθ 的长度,因此

Eθrdθ=VθdθEθ=1rVθ

计算电偶极子电场的电势和电场强度

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思路一:先计算电势,再通过梯度求电场强度。因为 rr+lcosθrr+r2

V=V++V=q4πε0(1r+1r)=q4πε0rr+rr+=qlcosθ4πε0r2

使用式子 (1),得到 Er=,Eθ=.

E=Erer+Eθeθ=14πε0r3[p+3(rp)rr2]

因此衰减程度是三次方。

思路二:求电场、求电势。


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电偶极子受力:F=qE++(q)E.

力矩:F=F+=FM=Flsinθ=p×E.

电势能:W=W++W=qV++(q)V=q(V+V).

(V+V)=Elcosθ
W=qElcosθ=pEcosθ=pE