全面认识“电场”
添加时间: 2006-6-21 6:30:24 作者: 物理参考 阅读次数:182 来源: http://www.d9soft.com
一、首先要认识电场的物质性和基本特性
电场的物质性主要表现在两个方面：（1）电场是一种特殊物质，是一种不以人的感官所感觉的客观存在．电场具有物质的一般共性，这就是电场跟一般物质一样都具有能量和动量．电场的能量叫做电场能（电场能有别于电势能，电势能是电荷在电场中，由电荷和电场共同具有的一种系统能量）．（2）电场的产生是有物质基础的，静电场是由静止的电荷（相对观察者而言）产生的，感应电场是由变化的磁场产生的．
电场与一般物质又不同：（1）电场没有质量．（2）电场具有方向性．（3）电场具有其它物质不具有的基本特性．
电场的基本特性：电场对处在电场中的电荷有电场力的作用（力的特性），电场力对电荷有做功的本领（能的特性）．
人们从认识电场力的特性出发，引入了电场强度的概念：电场强度是从力的方面表示电场强弱和方向的物理量（矢量）．电场中某点电场强度的大小和方向，是由产生电场的“场源电荷”的电量、电荷分布情况、空间位置以及介质决定的．这一点从点电荷产生的电场的电场强度表达式Ｅ＝ｋＱ／ｒ２可以看出，电场中某点的电场强度，数值上等于检验电荷在该点受到的电场力与检验电荷电量的比值，即Ｅ＝Ｆ／ｑ．此式是电场强度的定义式，但不是电场强度的决定式，不能理解为电场强度与电场力成正比，与电量成反比．实际上电场中某点的电场强度的大小和方向跟检验电荷受到的电场 力的大小和方向无关．是电场本身的属性．
电荷在电场中受到的电场力，是由电荷的电量和它所在处的电场强度决定的（Ｆ＝ｑＥ）．同一电荷在电场中受到的电场力跟电荷所在处的电场强度成正比．
人们从认识电场的能的特性出发，引入了电势和电势差的概念：电场力对电荷可以做功，因此，电荷在电场中具有做功的本领，具有能．电荷在电场中所具有的能叫做电势能，简称为电能．电势能跟重力势能相似，是电荷和电场共同具有的一种系统能量，电势能是由电荷所在处电场的性质和电荷的电量所决定的（＝ｑＵ），而表示电场的这种能的性质的物理量就是电势．电场中某点的电势是由电场本身决定的，由产生电场的“场源电荷”、空间位置和零电势点的选取所决定（电势是相对量）．电场中某点的电势，数值上等于检验电荷在该点的电势能跟检验电荷电量的比值，即Ｕ＝／ｑ（定义式）．静电力跟重力相 似都是保守力，静电力做功与电荷的运动路径无关，由电荷在电场中初、末位置电势的差值 和电荷的电量所决定，即Ｗab＝ｑ（Ｕa－Ｕb）＝ｑＵab．从上式可看出，电势差（电压）是反映了电场力做功本领的物理量．静电场力做功跟电势能的关系，类似于重力做功跟重 力势能的关系，即静电场力做功等于电势能的减少量（Ｗab＝a＋b＝－Δ）．
电场强度、电势和电势差都是表示电场性质的物理量，因此它们之间必然存在着一定联系，电场强度的方向就是电势降落最快的方向，电场强度的大小等于沿电场方向单位长度电势的降落（电势差）．对于匀强电场：Ｅ＝Ｕ／ｄ或Ｕ＝Ｅｄ，式中ｄ是电荷在电场中初、末位置间的位移在电场方向上的投影．
二、要正确认识和灵活运用电场线
电场是抽象的，电场线是人们为了形象地反映电场而引入的物理模型．由于静电场是有源场，所以静电场的电场线是“有始有终”的非闭合曲线．电场线由正电荷发出，终止于负电荷或无穷远，或从无穷远发出，终止于负电荷．带电体发出（或收集）电场线的条数，由带电体的电量决定．带电体所带的电量越多，它发出（或收集）的电场线就越多．电场线上各点的切线方向表示各点的电场强度的方向，电场线的密疏程度表示电场强度的大小，电场线越密的区域，电场强度就越大．沿着电场线电势逐渐降低，逆着电场线电势逐渐升高．跟电场线垂直的面叫做等势面，在同一等势面上各点的电势相等．
关于电场线有两个问题须弄清．
（1）电场线与电荷在电场中运动轨迹的区别：电场线上各点的切线方向是电场强度的方向，或正电荷受到的电场力的方向，而电荷运动轨迹上各点的切线方向是电荷的运动方向．由于物体的运动方向是由物体所受到的合外力和物体的初速度决定的，所以电场线与电荷在电场中的运动轨迹一般是不重合的，只有在某些特殊情况下两者才重合．
（2）电荷沿电场线运动电场力做功与电势能和动能的变化之间的关系是：电场力做功是由电荷的电量和初、末位置的电势差决定．正电荷沿电场线运动，电场力做正功，电荷的电势能一定减少．负电荷沿电场线运动，电场力做负功，电荷的电势能一定增加．电荷动能的变化则由合外力做功所决定．电场力做正功，合外力不一定做正功，电荷的动能不一定增加．同理，电场力做负功，电荷的电势能不一定减少．若电荷在电场中只受电场力作用，则电荷的动能的增量，才等于电场力对电荷所做的功．
我们不仅要正确认识电场线，而且要善于运用电场线来分析问题和解决问题．
例1 如图1所示，MN是两个等量正电荷连线的中垂线，有一负点电荷从很远处沿MN方向向O点运动，在运动过程中（只受电场力作用），下列说法正确的是
Ａ．点电荷的加速度逐渐增大
Ｂ．点电荷的动能逐渐增大
Ｃ．点电荷先加速后减速
Ｄ．点电荷的电势能在O点最大
图1
解析 点电荷的加速度由所受电场力决定，而电场力跟电场强度成正比．画出同种正电荷的电场线如图1中带箭头的虚线所示（只画出部分电场线）．从图中可以看出，电场线沿MN从很远处到O点的过程中，其密度是先变大后变小，方向不变，所以电场强度也是先变大后变小，点电荷的加速度是先变大后变小，加速度的方向不变，选项ＡＣ是错误的．由于负电荷逆着电场线运动，电场力做正功，电荷的电势能减小，动能增大．所以，选项Ｂ正确，选项Ｄ错误．
三、要弄清静电场和感应电场的区别
静电场和感应电场是电场中的两大类，它们既有相同之处，又有不同之处．
1 静电场和感应电场的相同点
（1）静电场和感应电场都具有电场的基本特性，即两种电场对处在其中的电荷都有电场力的作用．它们都具有能量、具有物质性．
（2）静电场和感应电场的电场强度的定义相同，都可以用Ｅ＝Ｆ／ｑ来定义．
（3）静电场和感应电场都可以用电场线形象地表示，这两类电场的电场线与场强的关系相同．
2 静电场和感应电场的不同点
（1）两类电场的产生原因不同：静电场是由静止电荷产生，而感应电场则是由变化的磁场产生．
（2）静电场是保守场，静电场力对电荷做功与电荷运动路径无关，其电场线是“有始有终”的，如图２所示．感应电场是非保守场，感应电场力对电荷做功与电荷运动路径有关．感应电场是涡旋场，其电场线是闭合曲线，如图３所示．静电场可引入电势的概念，而感应电场不可引入电势的概念．
（３）静电场的电场强度由“场源电荷”的电量和空间位置等因素决定，而感应电场的电场强度由磁场的变化率决定．
图2 图3 图4
例２ 如图４所示是一个半径为ｒ的圆．
（1）在圆心O处放一个点电荷，则电子恰好在圆周上以速度ｖ做匀速圆周运动．电子运动一周静电场力做功是多少？轨道上电场强度的大小是多少？
（２）如在垂直圆平面方向加一个Ｂ＝ｋｔ的匀强磁场，电子运动一周，感应电场力做功是多少？感应电场强度是多少？（已知电子的质量为ｍ，电量为ｅ）
解析 （1）在圆心O处放一点电荷，电子处在该电荷所产生的电场中，电场力提供电子做匀速圆周运动的向心力，由于点电荷的电场的等势面是一系列以圆 心O为球心的同心球面，所以电子是在同一等势面上运动，电场力对电子不做功．
由于ｅＥ＝ｍｖ２／ｒ，所以轨道上电场强度的大小为Ｅ＝ｍｖ２／ｅｒ．
（２）在垂直圆平面方向上加一均匀变化的磁场，则产生一恒定的感应电场，感应电场的电场线是一系列以O为圆心的同心圆．由法拉第电磁感应定律得
＝ΔΦ／Δｔ＝ ＳΔΒ／Δｔ＝πｒ２ｋ．
电子运动一周感应电场所做的功为
Ｗ＝ｅ＝ｅπｒ２ｋ ，
又 Ｗ＝Ｆｓ＝ｅＥ′·２πｒ，
所以感应电场强度为
Ｅ′＝Ｗ／２πｒｅ＝ｅπｒ２ｋ／２πｒｅ＝ｒｋ／２．
四、导体和绝缘体中的电场
导体中存在着大量的自由电荷，对于金属导体，即存在着大量的自由电子．而绝缘体内部只有极少量的自由电荷，绝大多数电荷是束缚电荷．
导体放入电场中，导体中的自由电荷在电场力的作用下，沿电场力的方向做定向运动．从而使得导体在沿电场方向的两端出现等量异种电荷，这种电荷叫做感应电荷．导体内部实际上存在着两个电场，当导体处于静电平衡状态时，“原电场”与“感应电荷的电场”大小相等、方向相反，它们的合场强为零．
例３ 如图５所示，在正点电荷Q附近放一细金属棒，金属棒长为L，金属棒右端距Q为ｒ，求金属棒两端的感应电荷的电量．
图5
解析 金属棒中自由电子在点电荷的电场作用下向右端堆集，从而使金属棒两端感应出等量异种电荷．由于金属棒很细，因此，可将金属棒两端的感应电荷看成是等量异种点电荷．
点电荷Ｑ在金属棒中央的电场强度为
Ｅ0＝ｋＱ／（ｒ＋０．５Ｌ）２，
感应电荷在金属棒中央的电场强度为
Ｅ′＝－２ｋｑ／（０．５Ｌ）２，
因为金属导体处于静电平衡状态时，内部各处电场强度为零，所以，Ｅ0＋Ｅ′＝０，联立解得
ｑ＝（Ｌ／（２ｒ＋Ｌ））２（Ｑ／２）．
绝缘体放入电场中，绝缘体中的极少量的自由电荷也会在电场力作用下沿电场方向做定向移动，从而使绝缘体两端出现等量异种电荷（电量很小）．绝缘体内部也同时有两个电场，一个是原电场，一个是“感应电荷”的电场，但后者远小于前者．所以，处于电场中的绝缘 体内部电场不为零．
电场是一种特殊的物质，电场强度、电势、电势差等都是表示电场性质的物理量．电荷在电场中即受到电场力的作用，又具有电势能．要全面认识电场，应该从电场的最基本的特性去认识．
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