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电场强度

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  • 发布时间:2013/9/17 9:14:35
  • 作者:银河电气

一、电场强度的概述

  电场强度是用来表示电场的强弱和方向的物理量。实验表明,在电场中某一点,试探点电荷(正电荷)在该点所受电场力与其所带电荷的比值是一个与试探点电荷无关的量。于是以试探点电荷(正电荷)在该点所受电场力的方向为电场方向,以前述比值为大小的矢量定义为该点的电场强度,常用E表示。按照定义,电场中某一点的电场强度的方向可用试探点电荷(正电荷)在该点所受电场力的电场方向来确定;电场强弱可由试探电荷所受的力与试探点电荷带电量的比值确定。试探点电荷应该满足两个条件:
  1.它的线度必须小到可以被看作点电荷,以便确定场中每点的性质;
  2.它的电量要足够小,使得由于它的置入不引起原有电场的重新分布或对有源电场的影响可忽略不计。电场强度的实用V/m伏特/米或N/C牛顿/库仑(这两个单位实际上相等)。常用的单位还有V/cm伏特/厘米。
  要注意的是,只要有电荷存在就有静电场存在,电场的存在与否是客观的,与是否引入试探点电荷无关。引入试探点电荷只是为了检验电场的存在和讨论电场的性质而已。正像人们使用天平可以称量出物体的质量,如果不用天平去称量物体,物体的质量仍然是客观存在的一样。由于电场力满足矢量叠加原理,电场强度也满足叠加原理。

二、电场强度方向

  电场中某点的场强方向规定为放在该点的正电荷受到的静电力方向。对于真空中静止点电荷q所建立的电场,可以由库仑定律得出。
  式中r是电荷q至观察点(或q')的距离;r是由q指向该观察点的单位矢量,它标明了E的方向
  ​静电场或库仑电场是无旋场,可以引入标量电势φ,而电场强度矢量与电位标量间的关系为负梯度关系
  E=-▽γφ
  时变磁场产生的电场称为感应电场,是有旋场。引入矢量磁位A并选择适当规范,可得电场强度与矢量磁位间的关系为时间变化率的负数关系,即感应电场与库仑电场的合成电场是有源有旋场。

计算:

  电场中某一点的电场强度在数值上等于单位电荷在那一点所受的电场力。试验电荷的电量、体积均应充分小,以便忽略它对电场分布的影响并精确描述各点的电场。场强是矢量,其方向为正的试验电荷受力的方向,其大小等于单位试验电荷所受的力。场强的单位是伏/米,1伏/米=1牛/库。
  电场强度遵从场强叠加原理,即空间总的场强等于各电场单独存在时场强的矢量和,即场强叠加原理是实验规律,它表明各个电场都在独立地起作用,并不因存在其他电场而有所影响。以上叙述既适用于静电场也适用于有旋电场或由两者构成的普遍电场。电场强度的叠加遵循矢量合成的平行四边形定则。电场强度的大小,关系到电工设备中各处绝缘材料的承受能力、导电材料中出现的电流密度、端钮上的电压,以及是否产生电晕、闪络现象等问题,是设计中需考虑的重要物理量之一。

三、各类电场强度公式

  真空中点电荷场强公式:E=KQ/r^2
  匀强电场场强公式:E=U/d(d为沿场强方向两点间距离)
  任何电场中都适用的定义式:E=F/q
  平行板电容器间的场强E=U/d=4πkQ/eS
  介质中点电荷的场强:E=kQ/(r^2)
  均匀带电球壳的电场:E内=0,E外=k×Q/r^2
  无限长直线的电场强度:E=2kρ/r(ρ为电荷线密度,r为与直线距离)
  带电半圆对圆心的电场强度:E=2kρ/R(ρ为电荷线密度,R为半圆半径)
  与半径为R圆环所在的平面垂直,且通过轴心的中央轴线上的场强:kQh/(h^2+R^2)^(3/2)
  对任意带电曲线的场强公式:E=∫kρ/r^2 ds....(r为距曲线距离,为坐标x,y的函数,ρ为电荷线密度)

 

  作者:vfecc

  单位:湖南银河电气有限公司(www.vfe.cc


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