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電場強度

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電場強度是用來表示電場的強弱和方向的物理量。實驗表明,在電場中某一點,試探電荷正電荷)在該點所受電場力與其所帶電荷的比值是一個與試探點電荷無關的量。於是以試探點電荷(正電荷)在該點所受電場力的方向為電場方向,以前述比值為大小的矢量定義為該點的電場強度,常用E表示。按照定義,電場中某一點的電場強度的方向可用試探點電荷(正電荷)在該點所受電場力的電場方向來確定;電場強弱可由試探電荷所受的力與試探點電荷帶電量的比值確定。
試探點電荷應該滿足兩個條件;(1)它的線度必須小到可以被看作點電荷,以便確定場中每點的性質;(2)它的電量要足夠小,使得由於它的置入不引起原有電場的重新分佈或對有源電場的影響可忽略不計。電場強度的單位V/m(伏特/米)或N/C(牛頓/庫侖)(這兩個單位實際上相等)。常用的單位還有V/cm(伏特/釐米)。
中文名
電場強度
外文名
Electric field intensity/Electric field strength [1] 
別    名
場強
表達式
E=K*Q/R^2(k=9.0×10^9N.m^2/C^2)
提出者
邁克爾·法拉第
適用領域
電學力學
應用學科
物理
表示方法
電場線
計算法則
矢量運算法則
表示符號
E

電場強度電場力

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電場 電場
電場力 是當電荷置於電場中所受到的作用力。或是在電場中為移動自由電荷所施加的作用力。其大小可由庫侖定律得出。當有多個電荷同時作用時,其大小及方向遵循矢量運算規則。

電場強度相關知識

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電場強度單位

牛(頓)每庫(侖) 在國際單位制中,符號為N/C。如果1C的電荷在電場中的某點受到的靜電力是1N,這點的電場強度就是1N/C。電場強度的另一單位是伏(特)每米,符號是V/m,它與牛/庫相等,即1V/m=1N/C。

電場強度定義

是放入電場中某點的電荷所受靜電力F跟它的電荷量比值,定義式E=F/q ,適用於一切電場;其中F為電場對試探電荷的作用力,q為試探電荷的電荷量。單位N/C。 定量的實驗證明,在電場的同一點,電場力的大小與試探電荷的電荷量的比值是恆定的,跟試探電荷的電荷量無關。它只與產生電場的電荷及試探電荷在電場中的具體位置有關,即比值反映電場自身的特性(此處用了比值定義法),因此我們用這一比值來表示電場強度,簡稱場強,通常用E表示。

電場強度方向

電場中某點的場強方向規定為放在該點的正電荷受到的靜電力方向。 [2] 
對於真空中靜止點電荷q所建立的電場,可以由庫侖定律得出。
式中r是電荷q至觀察點(或q')的距離;r是由q指向該觀察點的單位矢量,它標明瞭E的方向
電場 電場
靜電場或庫侖電場是無旋場,可以引入標量電勢φ,而電場強度矢量與電位標量間的關係為負梯度關係
E=-▽γφ
時變磁場產生的電場稱為感應電場,是有旋場。引入矢量磁位A並選擇適當規範,可得電場強度與矢量磁位間的關係為時間變化率的負數關係,即
感應電場與庫侖電場的合成電場是有源有旋場。 [3] 

電場強度均勻與非均勻

平行平板電場
平行平板電場(2張)
一對平行平板電極之間的電場,各點的電場強度完全相同,這種電場叫做勻強電場(如果極板尺寸比極板間距離大得多,那麼極板邊緣的電場不均勻部分,可不予以考慮)。一個帶電球體周圍的電場,各點的電場的電場強度都不同,這種電場叫做不均勻電場。

電場強度計算

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電場中某一點的電場強度在數值上等於單位電荷在那一點所受的電場力。試驗電荷的電量、體積均應充分小,以便忽略它對電場分佈的影響並精確描述各點的電場。
場強是矢量,其方向為正的試驗電荷受力的方向,其大小等於單位試驗電荷所受的力。場強的單位是伏/米,1伏/米=1牛/庫。場強的空間分佈可以用電場線形象地圖示。
電場強度遵從場強疊加原理,即空間總的場強等於各電場單獨存在時場強的矢量和,即場強疊加原理是實驗規律,它表明各個電場都在獨立地起作用,並不因存在其他電場而有所影響。以上敍述既適用於靜電場也適用於有旋電場或由兩者構成的普遍電場。電場強度的疊加遵循矢量合成的平行四邊形定則
電場強度的大小,關係到電工設備中各處絕緣材料的承受能力、導電材料中出現的電流密度、端鈕上的電壓,以及是否產生電暈閃絡現象等問題,是設計中需考慮的重要物理量之一。
地球表面附近的電場強度約為100V/m。 [3] 

電場強度強度算法

①定義:放入電場中某點的電荷所受靜電力F跟它的電荷量比值,叫做該點的電場強度。
②定義式:E=F/q ,F為電場對試探電荷的作用力,q為放入電場中某點的檢驗電荷(試探電荷)的電荷量。
③電場強度的方向:規定為放在該點的正電荷受到的靜電力方向。與正電荷受力方向相同,與負電荷受力方向相反。
物理意義:描述電場強弱的物理量,描述電場的力的性質的物理量。電場強度的大小取決與電場本身,或者説取決於激發電場的電荷,與電場中的受力電荷無關。
⑤適用條件:適用於一切電場。
⑥電場強度是矢量。
⑦電場的決定式:E=kQ/r2(只適用於點電荷)。其中E是電場強度,k是靜電力常量,Q是源電荷的電量,r是源電荷與試探電荷的距離。
⑧電場力:F=Eq [3] 

電場強度各類場強公式

真空中點電荷場強公式:E=KQ/r2 (k為靜電力常量k=9.0×10^9N.m^2/C^2)
勻強電場場強公式:E=U/d(d為沿場強方向兩點間距離)
任何電場中都適用的定義式:E=F/q
平行板電容器間的場強E=U/d=4πkQ/eS
介質中點電荷的場強:E=kQ/(r2)
均勻帶電球殼的電場:E內=0,E外=k×Q/r2
無限長直線的電場強度:E=2kρ/r(ρ為電荷線密度,r為與直線距離
帶電半圓對圓心的電場強度:E=2kρ/R(ρ為電荷線密度,R為半圓半徑)
與半徑為R圓環所在的平面垂直,且通過軸心的中央軸線上的場強:kQh/(h2+R2)3/2
對任意帶電曲線的場強公式:E=∫kρ/r2 ds....(r為距曲線距離,為座標x,y的函數,ρ為電荷線密度)
同理,帶電曲面為它的曲面積分。 [3]  [3] 
參考資料
  • 1.    Electric field intensity  .physicsclassroom[引用日期2019-07-08]
  • 2.    趙紅梅主編. 新教材完全解讀 高中物理 選修1-1 新課標 人[M]. 長春:吉林人民出版社, 2011.03.第13頁
  • 3.    《高中物理教材解析》