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電場

一個電荷如何隔著空無一物的空間「知道」另一個電荷在那裡?用一個充滿空間的場,取代那玄之又玄的超距作用,學會讀電力線,並用互動工具親手探索它。

超距作用令人不安

庫侖定律行得通,但它說一個電荷能隔著空無一物的空間,中間毫無憑藉地把另一個電荷推開。物理學家不喜歡這種「超距作用」。法拉第的解法重塑了物理學:一個電荷會在它周圍的空間布滿一個電場,而正是那個場,在第二個電荷所在之處,推動了它。力於是變成局域的——你感受到的是你所在位置的場,而非那個遙遠的電荷本身。

你以前見過這個想法:質量在空間中布滿重力場,附近的質量對局域的場作出反應。電場對電荷做的是同一件事。它不只是記帳工具——場攜帶能量與動量,而且(一旦有東西運動起來)它會像波紋般向外傳出,那就是光。現在,就把場當作電力真實而具體的中介者。

場的定義:單位電荷所受的力

要量測某點的場,就在那裡放一個微小的正試驗電荷 q_0,量出它受的力 \vec{F},再把電荷除掉。結果——單位電荷所受的力——就是那點的電場 \vec{E}。它是一個向量,指向正電荷會被推去的方向,單位為牛頓每庫侖(N/C)。

\vec{E} = \frac{\vec{F}}{q_0}, \qquad \vec{F} = q\,\vec{E}

場是單位電荷所受的力;反過來,放進場 E 中的電荷 q 會受到力 qE(q>0 時沿 E,q<0 時反向)。

點電荷的場

把定義與庫侖定律結合:源電荷 q 施於 q_0 的力是 k\,q q_0/r^2,故除以 q_0 就得到點電荷的場。它以平方反比衰減,從正電荷向外輻射,向負電荷向內匯聚。

E = k\,\frac{|q|}{r^2} = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{|q|}{r^2}

距離點電荷 q 為 r 處的電場大小。方向為徑向:離開正電荷、朝向負電荷。

電力線:把場畫出來

法拉第的第二個偉大想法是畫電力線:一條條連續曲線,其在每一點的切線方向給出場的方向,而其疏密則顯示場的強弱。規則簡單且值得牢記:電力線始於正電荷、終於負電荷(或延伸至無窮遠);它們絕不相交(場在每點只有一個方向);而電力線愈密集之處,場愈強。

各種電力線圖樣:單一正電荷(電力線向外迸射)、電偶極(正負電荷,電力線從+弧向−),以及兩個同性電荷(電力線相斥,中間形成一個鞍點)。

電偶極——一正一負兩個電荷——的圖像值得細看:電力線離開+電荷,優雅地彎穿過空間,抵達−電荷。兩個同性電荷則呈現電力線從中點的空隙互相推開的樣子。這些圖樣正是決定像水這種永久偶極分子,如何對附近電荷作出反應的關鍵。

疊加,以及一個可把玩的場

正如力可以相加,場也一樣。數個電荷的總場是每個電荷各自場的向量和,計算時當作其他電荷不存在——這就是電場疊加。這也是為什麼複雜電荷分布的場圖,可以一個電荷一個電荷地疊出來。

放置正負電荷,看電力線與等電位面隨之重排;放一個試驗電荷,看它的受力箭頭。試著先組出一個偶極,再組兩個同性電荷,與上面的圖樣比對。