《 University Physics 》 Revised Edition

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《 University Physics 》 Revised Edition 普通物理學 (精華版) 《 University Physics 》 Revised Edition 歐亞書局

第 23 章 電場 23.1 電場 23.2 電力線 23.3 電場及導體 23.4 均勻靜電場中電荷的運動 23.5 連續電荷分布 第 23 章 電場  23.1 電場 23.2 電力線 23.3 電場及導體 23.4 均勻靜電場中電荷的運動 23.5 連續電荷分布 23.6 電偶極 歐亞書局 第 23 章 電場 P.305

23.1 電場 我們認為一個電荷會在環繞它的空間中建立 23.1 電場 我們認為一個電荷會在環繞它的空間中建立 電場(electric field)。第二個帶電粒子並不直接和第一個作用,而是與它所遭遇到的電場反應。在這種情形下,電場成為粒子之間電力作用的媒介物。 經由一個微小測試電荷 q 所感應到的電力,我們得以度量電場的分布情形。 空間中的每一點皆有一對應的電力向量,如圖23.1 所示。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.306

在已知點上,電場強度(electric field strength)E 被定義為「一單位電荷放置於該點上所受的力」: 電場強度的 SI 制單位為牛頓/庫侖(N/C)。E 的方向則為:測試正電荷在該點所受電力的方向。 測試電荷必須足夠小,而不至影響場源電荷所建立的電場。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.306

在場源為點電荷 Q 的特殊情形下,我們由庫侖定律 電場強度 E 是空間中一點的特性,且僅和場源電荷 Q 有關。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.306

我們可選定一測試電荷來檢驗電場存在與否。一旦電場強度已知,任何測試電荷 q 所受到的電力可由下式求得 如果場源電荷不只一個,則此處的 E 是由所有電荷所產生的總電場強度,但不包括 q 本身。 如果 q 為正,則它受到的電力和電場方向相同;如果 q 為負,電力和電場的方向相反。 注意: 23.3 式和 F = mg 具有相同形式。g 為重力場強度(N/㎏)。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.306

因為線性疊加原理對於庫侖定律有效,所以它也適用於電場。 計算由電荷系統在一點上產生的電場強度時,我們首先求出 Q1 產生的個別電場 E1,Q2 產生的電場 E2 等等。 若共有 N 個場源電荷,則總電場強度即為向量總和 此處 歐亞書局 第 23 章 電場 P.307

圖23.1 點電荷 Q 所建立的電場,其分布情形可由一測試電荷 q 放置於各個點上所受的力 F 求出。在已知點上的場強度為 E = F/qt 。 歐亞書局 第 23 章 電場 P. 306

例題 23.1 在晴朗的日子裡,若地球的表面有一約 100 N/C 的電場直指向下。試比較一電子在此處所受的電力及重力。 解 電力的大小為: 且其方向為垂直向上,如圖23.2 所示。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.307

粒子(例如電子或質子)若同時受到重力和電力的作用,則重力可以略而不計。 例題 23.1 (續) 重力的大小為: 其方向向下。其比值為: 粒子(例如電子或質子)若同時受到重力和電力的作用,則重力可以略而不計。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.307

例題 23.1 (圖 23.2) 圖23.2 一電荷在電場及重力場中保持平衡。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.307

解題指引:電場 1. 首先在已知位置繪出電場向量(其方向可由假 設該點有一測試正電荷而求得)。 2. 求出每個場源電荷所產生的電場強度大小(純 量)。電荷的極性可以忽略,而將電場強度寫 成下式: 3. 將原點放在要計算 E 值的點上。座標軸的選 擇,取決於電場強度 E 的分量是正是負。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.307

例題 23.2 一點電荷 Q1 = 20 μC 位於(-d, 0),而 Q2 =- 10 μC 位於 (+d, 0)。求在座標 (x, y) 處的電場強度。令 d = 1.0 m 及 x = y = 2 m 。 解 電荷、電場向量及座標系統顯示於圖 23.3 。距離 r1 = (x + d)2 + y 2 = 13 = 3.6 m 、 r2 = (x - d)2 + y2 = 5 = 2.2 m 。電場的大小為 歐亞書局 第 23 章 電場 P.308

例題 23.2 (續) 總電場強度的分量 E = E1 + E2 為: 由圖 23.3 可以看出 sin θ1 = y/r1, sin θ2= y/r2, cos θ1 =(x + d)/r1, cos θ2 = (x -d)/r2 。因此 歐亞書局 第 23 章 電場 P.308

例題 23.2 (續) 最後, E = 3.5 × 103i - 8.6 × 103j N/C。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.308

例題 23.2 (圖 23.3) 圖23.3 求由 Q1 及 Q2 在 P 點上產生的總電荷。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.308

23.2 電力線 考慮由一點電荷所產生的電場時,空間中任何點上的電場強度,是以向量的長度表示其大小,其分布圖案如圖 23.4所示。 23.2 電力線 考慮由一點電荷所產生的電場時,空間中任何點上的電場強度,是以向量的長度表示其大小,其分布圖案如圖 23.4所示。 圖 23.5 則顯示由大小相等之兩異性點電荷所產生的電場。但是當數個電荷同時存在時,使用此種向量表示法易生混淆,因此我們改用連續的場線或電力線(field lines or lines of force)來表示電場,這種線條是由正電荷出發,然後終止於負電荷。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.308

圖23.4 一點電荷的電場由向量箭頭的長度表示。 歐亞書局 第 23 章 電場 P. 308

圖23.5 由向量箭頭描繪兩大小相等、極性相反電荷所產生的電場。 圖23.5 由向量箭頭描繪兩大小相等、極性相反電荷所產生的電場。 歐亞書局 第 23 章 電場 P. 309

如圖 23.6 所示。當長頭髮的人碰觸高荷電量的球時,頭髮順著場線排列並且由頭部放射開來,為電力線提供了饒富戲劇性的圖例(圖 23.7)。 將稻禾種子撒於液體表面,也可以見到電場圖案。當液體浸入高荷電量的電極板時,種子本身會依局部電場分布的方向排列。 圖案的形狀,相當於兩大小相等、極性相反的點電荷所形成的電力線。 前者顯示於圖 23.8a 及 23.8b ;而後者則如圖23.9a 及 23.9b 所示(注意:我們僅繪製三維電場的二維切面圖)。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.308

圖23.6 一電荷的電場強度,可由連續的電場線或力線來表示。此線由正電荷出發且終止於負電荷。 圖23.6 一電荷的電場強度,可由連續的電場線或力線來表示。此線由正電荷出發且終止於負電荷。 歐亞書局 第 23 章 電場 P. 309

圖23.7 當一人觸及高電荷物體時,其頭髮將沿著電場線而排列。 圖23.7 當一人觸及高電荷物體時,其頭髮將沿著電場線而排列。 歐亞書局 第 23 章 電場 P. 309

圖23.8 由兩大小相等且極性相反的電荷所形成的電場。(a) 撒在液體上的種子圖案。(b)電力線。 歐亞書局 第 23 章 電場 P. 309

圖23.9 由兩同性的電荷所形成的電場。(a) 種子的圖案。(b) 電力線。 歐亞書局 第 23 章 電場 P. 310

在現今的物理觀念中,電力線並非真實存在的線條,但它卻不失為觀察電場的一個好方法。 電力線也能告訴我們電場強度的的訊息。電場較強之處,電力線密集在一起;而電場微弱處,電力線即顯得稀疏。 換言之,電場強度正比於線的密度──即通過垂直於電場方向單位面積上的電力線數目。 假設由一孤立點電荷發出 N 條電力線,在距離電荷 r 處,這些線散佈於 4πr2 的球面區域,所以線密度為 N/4πr2 ; 而隨著r的增加,密度以 1/r2 遞減。這正是電場強度依 23.5 式變化的方式。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.309

事實上,場源電荷所發出的電力線數可任意選定,真正需要注意的是電力線的相對密度。 在圖 23.10 中, A 點的電場較強,而 B 點處較弱。 由於沒有電力線穿越 C 區,也許有人會認為該處電場強度為零;但這只是因為我們繪製的電力線數量較少之故。如果線數增加十倍,則必有某些場線通過 C 區。 事實上,場源電荷所發出的電力線數可任意選定,真正需要注意的是電力線的相對密度。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.309

圖23.10 電場強度與電力線的相對密度成正比。若 C 處電場強度不為零,則電力線數量增加十倍時,必有某些線條會通過 C 區。 歐亞書局 第 23 章 電場 P. 310

1. 靜電場線總是由正電荷出發且終止於負電荷。 2. 起始或終結的線數正比於電荷的大小。 以下列出電力線特性的總結: 1. 靜電場線總是由正電荷出發且終止於負電荷。 2. 起始或終結的線數正比於電荷的大小。 3. 空間中某點的電場方向,為沿著電力線的切線􀌷方向(如圖 23.11 所示)。 4. 電場強度正比於電力線的密度—即通過垂直於 電場之單位面積上的電力線數。 5. 電力線不會相交。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.310

圖23.11 電場的方向即為電力線的正切方向。 歐亞書局 第 23 章 電場 P. 310

23.3 電場及導體 如圖 23.12 所示,當一外加電場 Eext 作用於導體時,導體上的自由電子立刻移往 Eext 的相反方向,而在右邊留下一未中和的正電荷。 電荷的重新分布建立了一個內部電場 Eint ,其方向和 Eext 相反。 假設導體內部的淨電場 Eext - Eint 不為零,電子將受此淨電場的影響而移動。此過程會一直持續到靜電平衡,即內部的淨電場衰減至零為止。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.310

靜電平衡的條件為:在均勻導體材料內部的巨 觀淨電場值為零。 巨觀(macroscopic)意指大尺度的觀點,此處使用這個字眼,是因為在電子及原子核間有許多複雜的力場存在,但這些力場不能在大尺度下總和出任何淨力,因此不至於干擾電場的計算。 此外,均勻(homogeneous)這個字眼也很重要。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.310

圖23.12 當一導體被放置在一電場中時,導體中的電子被重新排列,並且產生一個「內部的」電場。電子 停止運動的條件為:導體內部的淨電場為零。 圖23.12 當一導體被放置在一電場中時,導體中的電子被重新排列,並且產生一個「內部的」電場。電子 停止運動的條件為:導體內部的淨電場為零。 歐亞書局 第 23 章 電場 P. 310

例如:當兩材料 Zn 和 Cu 被連接在一起時,在介面上會各有正電荷及負電荷的分布,由於此種不 均勻的電荷分布,則雖然在導體上的總電荷量為零,但橫跨接面兩端仍有一電場存在。 倘若導體表面的某一角落有電場存在。不論此電場是外來的,或是由物體本身的電荷形成,導體的自由電子將受到平行於表面的分力作用,並迅速將此電場降低為零,如圖 23.13 所示。 在靜電平衡的條件下,導體表面上各點的電場均垂直於表面。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.310

圖23.13 在靜電平衡的條件下,電場垂直於導體表面。 圖23.13 在靜電平衡的條件下,電場垂直於導體表面。 歐亞書局 第 23 章 電場 P. 311

23.4 均勻靜電場中電荷的運動 我們現在要討論均勻靜電場中荷電粒子的運動情形。在考慮基本粒子(例如電子或質子)的移動時,重力因為過於微弱而可以被忽略 。 於是在電場 E之中,質量 m 電荷 q 的粒子僅受到一電力 F = qE 的作用。由第二定律 F = ma,可知其加速度為 假如電場是均勻的,則加速度的大小及方向皆為固定。此時可使用等加速度運動的方程式。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.311

例題 23.3 一質子沿均勻電場 E = 103 i N/C 前進 4 cm ,如圖 23.14 所示。如果其起始速度為105 m/s ,求其末速度。 解 質子加速度的大小為: 且方向朝向負電板。適合的運動方程式為 3.2 式 歐亞書局 第 23 章 電場 P.311

例題 23.4 (續) 所以,υf = 1.3 × 105 m/s 。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.311

例題 23.3 (圖 23.14) 圖23.14 一質子在兩荷電板間的均勻電場中,受電力作用而獲得加速度。 P.311 第 23 章 電場 圖23.14 一質子在兩荷電板間的均勻電場中,受電力作用而獲得加速度。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.311

例題 23.4 陰極射線管(CRT)常用於電視、顯像器及示波器。電子由一薄且熱的燈絲射出,並通過兩個有洞的圓盤而形成平行射線(筆直的粒子束),如圖 23.15 所示。它以起始速度υ0i 通過長度為 l ,並且存在均勻電場 E = -Ej 的兩板之間。由於受到電場作用而獲得等加速度,所以電子的軌跡為拋物線,就像靠近地球表面的拋體運動一樣。在離開板間區域之後,電子直線前進到塗有螢光物質(例如ZnS)的螢光幕,撞擊螢光幕時發出微小的閃光。求 (a) 當它由平板射出時的垂直位置。(b) 由平板射出時的角度。(c) 如果平板 歐亞書局 第 23 章 電場 P.312

尾端與螢光幕相距 L,試求電子在螢光幕上的垂直位移。 例題 23.4 (續) 尾端與螢光幕相距 L,試求電子在螢光幕上的垂直位移。 解 (a)因 q =-e 及 E = -Ej ,則加速度為: 由於 x 方向沒有加速度。電子在板間的位置座標為: 在板間電子所經歷的時間為 t = l/υ0,所以當它出現在板間的最後垂直座標為: 歐亞書局 第 23 章 電場 P.312

(b)電子出現在板間時的角度,可由其末速度的分量求得: 例題 23.4 (續) (b)電子出現在板間時的角度,可由其末速度的分量求得: 所以 (c)由圖 23.15 ,我們知道θ = (D - yF)/L 。所以 歐亞書局 第 23 章 電場 P.312

例題 23.4 (圖 23.15) 圖23.15 在陰極射線管中,電子由一熾熱燈絲射出,經兩荷電盤(盤中有一小孔)間的電場加速。當電子撞擊螢光幕時會發出閃光。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.312

23.5 連續電荷分布 在計算電場強度時,E = (kq/r2) r 式僅適用於場源為點電荷的狀況。若電荷為連續分布,我們必須分割此電荷分布為極小的電荷元 dq,視 dq 為一點電荷。 由極小電荷的貢獻而造成的電場(示於圖 23.16)為: ^ 歐亞書局 第 23 章 電場 P.312

此處 r 的起點在電荷元之上。依照疊加原理,總電場是所有微小電場 dE 的總合;即: 為了求得積分值,我們必須以 r 來表示 dq 。 下例為幾種特殊形狀的電場強度(圖23.17~23.19為積分過程的圖形) : ^ 歐亞書局 第 23 章 電場 P.313

圖23.16 為了計算由無窮大電荷分布所產生的電場,我們必須先求出由極小電荷元 dq 所貢獻的電場 dE 。總電場為所有dE 的積分值。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.313

1.一長度 L 的絕緣細棒具有均勻分布之電荷 Q(如圖23.17) 。其軸端距離 a 處的電場強度為 下例為幾種特殊形狀的電場強度: 1.一長度 L 的絕緣細棒具有均勻分布之電荷 Q(如圖23.17) 。其軸端距離 a 處的電場強度為 圖23.17 電荷棒所造成的電場。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.313

2.一無窮長之荷電直線,其線電荷密度為 C/m (如圖 23.18),距離此線 R 處之電場強度為 圖23.18 一無窮長的荷電直線所造成的電場。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.313

3.一半徑為 a 的非導體圓盤,盤上均勻面電荷密度為 σ C/m2 (如圖 23.19) 。沿中央軸距離盤心 y處的電場強度為何? 圖23.19 由均勻荷電盤所產生的電場。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.313

計算由下列荷電體所產生的電場:(a) 具有表面電荷密度 +σ 的無窮大平板;(b) 具有電荷密度 +σ及 -σ的兩個無限大平行表面。 例題 23.5 計算由下列荷電體所產生的電場:(a) 具有表面電荷密度 +σ 的無窮大平板;(b) 具有電荷密度 +σ及 -σ的兩個無限大平行表面。 解 (a)我們可以使用荷電圓盤所生電場的結果,只要取圓盤面積為無限大即可。當 a → ∞ 時 ,E = 2πkσ ,或 歐亞書局 第 23 章 電場 P.313 49

板間均勻電場的大小,等於單片無限大平板附近電場的兩倍。 例題 23.9 (續) 此處我們以 1/4πε0 取代庫侖常數K 。考慮上式,可知無限大荷電平板會建立一均勻電場,即電場的大小及方向均為常數,如圖 23.21 所示。 (b) 圖 23.22a 中的兩片無窮大平行板,帶有大小相等但極性相反的面電荷密度。其個別的電場貢獻如圖中虛線所示:在兩表面間的電場為同向而可疊加; 在兩板的外側區域中,電場因反向而會互相抵消。兩板間的總電場如圖 23.22b 所示。 板間均勻電場的大小,等於單片無限大平板附近電場的兩倍。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.314

例題 23.5 (圖 23.20) 圖23.20 無窮大荷電表面可造成一均勻電場。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.314

例題 23.5 (圖 23.21) 圖23.21 (a) 無限大平行板所造成的電場。兩板帶有異性電荷, 且電荷密度相等;(b)總電場。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.314

23.6 電偶極 兩個電量相等而極性相反的電荷維持一固定距離,我們稱這樣的組合為電偶極(electric dipole)。 23.6 電偶極 兩個電量相等而極性相反的電荷維持一固定距離,我們稱這樣的組合為電偶極(electric dipole)。 在一般分子的內部,正電荷及負電荷的中心或許並不一致,但仍可近似地將它視為一個電偶極。 例如 HCl, CO 及 H2O 分子,都具有永久的電偶極且可稱為離子化的分子。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.314

在圖 23.22a 中顯示的原子結構,就像一個帶正電的點電荷被一帶負電的球體包圍。 當原子受到外來電場的作用時,這些電荷會反向移動,並因而建立一感應電偶極。如圖 23.22b 所示。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.314

圖23.22 (a) 原子中,帶正電的核位於一帶負電的電子分布球體中心; (b) 外加電場作用時,將出現一感應電偶極。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.314

電偶極所產生的電場 (Field Due to a Dipole) 圖 23.23 顯示一電偶極,它由電荷 Q 位於座標 (0, a) 及電荷 -Q 位於 (0, -a) 所組成。 我們希望求出沿著垂直平分線距離中心 r 處之電場。在 x 軸上的任意一點,由這兩個電荷所產生的電場為: 歐亞書局 第 23 章 電場 P.314

因為它們與 y 軸有相同的夾角,所以 x 軸分量會互相抵消。y 軸分量的電場為: 電偶極矩(electric dipole moment)p 被定義為一個電荷及其分隔距離的乘積: 歐亞書局 第 23 章 電場 P.315

圖23.23 計算沿著電偶極中垂線上的電場強度。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.315

此處 d = 2a ,它是一向量,方向為負電荷指向正電荷,如圖 23.24 所示。電偶極矩的 SI 單位為C‧m 。 當涉及三個電荷的組合時,如水分子(圖23.25),淨偶極矩為兩偶極矩的向量合。 在距離電偶極很遠處(即當 r >> a 時),和 r 相較之下 a 顯得可以忽略,所以 (r2 + a2)3/2 → r3 。沿著垂直平分線的遠處總電場為: 歐亞書局 第 23 章 電場 P.315

圖23.24 電偶極矩定義為 p = Qd 。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.315

圖23.25 當一個以上的電偶極存在時,淨偶極矩為各別力矩的向量合。 圖23.25 當一個以上的電偶極存在時,淨偶極矩為各別力矩的向量合。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.315

其總電場強度隨距離的立方而減少,遞減速率比單電荷的電場快,這是由於部份電場分量因電荷間極性的相反而被抵消。 電偶極軸上的「遠方電場」為: 一電偶極的電場線顯示於圖 23.8b 中。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.315

電偶極在均勻電場內的轉矩 (Torque in a Uniform Field) 圖 23.26 顯示一電偶極置於一均勻電場中, p 和電場 E夾角θ 。 兩電荷由電場感受到大小相等而方向相反的力,所以沒有淨力作用在電偶極上;但電偶極卻受到一個轉矩的作用。 兩電荷受力對中心點的力矩為τ+ = τ- = (d/2)F sin θ 。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.315

這些力矩的方向相同,所以淨轉矩的大小為兩力矩相加: 這個轉矩會促使電偶極沿著電場線排列。轉矩的向量式表示為: 歐亞書局 第 23 章 電場 P.315

圖23.26 電偶極在電場中受到一個轉矩的作用。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.316

位能(Potential Energy) 電場促使電偶極沿著場線方向排列時,必須作功以轉動電偶極。 外加轉矩使電偶極由θ1 轉到θ2 所做的功(假設此過程中動能不變)W =∫-τdθ 。 因外加轉矩和電場產生的轉矩方向相反,所以有負號產生。由 23.15 式我們得到 歐亞書局 第 23 章 電場 P.316

這是外力做的功,以電位能的形式儲存於系統(電場和電偶極)中: WEXT = ΔU = U2 - U1 。 物理學比較重視位能的變化量,因此可令θ1 = π/2 時 U1 = 0 ,而使得 cosθ1 = 0 合理成立。故在外加電場內,電偶極的位能形式表示如下: 位能為角度θ 的函數,如圖 23.27 所示。最小的位能發生於θ = 0 時,且最大位能出現於θ = π 時。如果電偶極可以轉動,則它會在電場的方向上振盪。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.316

圖23.27 電偶極的位能為其方向角度的函數。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.316

水分子的大偶極矩(6.2 × 10-30 C‧m)是一項重要性質。 當一鹽晶體被放在水中時,極化水分子的電荷及Na+ 與 Cl- 離子間之吸引力,大到足以破壞這些離子間的束縛。 因此,鹽很容易在水中溶解(見圖23.28)。水的溶解力取決於物質的分子是否極化。 如果物質分子是極化的,則它的電偶極會和水的電偶極組成簡單的圖樣。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.316

圖23.28 當一 NaCl 晶體溶解時,Na+ 和 Cl- 離子被吸附到水分子上。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.316

與水分子相比,肥皂和清潔劑的分子就顯得相當特殊。 微波烹飪是依賴水之電偶極對一振盪電場的反應,該電場以高頻率(2.45 × 109 Hz)反轉其方向,當電偶極隨此電場振動時,便在周圍介質中產生熱能。 與水分子相比,肥皂和清潔劑的分子就顯得相當特殊。 肥皂分子有一個很長的碳氫鍵,其中一個端點是非極化的,而另一端則擁有一個偶極矩(見圖23.29),非極化端很容易和(非極化)脂肪酸混合,而極化端卻可被水分子吸附。當肥皂水被洗掉時,油脂便會跟著它一起被帶走。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.316

圖23.29 肥皂分子有一極化端及一非極化端。非極化端易與油滴結合,而極化端點則和水分子結合。 圖23.29 肥皂分子有一極化端及一非極化端。非極化端易與油滴結合,而極化端點則和水分子結合。 歐亞書局 第 23 章 電場 P.316 72