【深度理解电磁场与电磁波系列连载 2】

在上一个连载里面,我们大概回顾了电与磁的统一之路,人们是如何将电与磁这两个看似没什么大关系的东西联系在一起的,源头就是奥斯特发现通电的导线会引起旁边的小磁针发生偏转。而要想优雅而简洁地统一电磁理论,就是 M a x w e l l Maxwell 方程了,我们也很自然地可以理解 M a x w e l l Maxwell 方程的构成——一个方程描述电场、一个方程描述磁场、一个方程描述电生磁、一个方程描述磁生电

那么下面,我们就来一窥电场的面纱:

最初的起源是库伦发现了库伦定律——两个电荷之间还有力的作用:
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其中, r ˉ \bar{r} 表示处于电场中的一点(也叫做场点)的矢径; r ˉ \bar{r'} 表示源点的矢径(所谓矢径,就是从坐标原点 O 到某一点的有向线段),如下图所示:
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但是,问题来了:库伦定律只是告诉我们两个电荷之间是有力的作用,也给出了如何计算力的大小。可是它没有告诉我们是谁传递了这一种力

历史上,对点电荷间的作用力是如何传递的有两种观点。一种是超距观点认为力是直接作用的。以欧洲大陆派 电动力学学派为代表,代表人物有 N e u m a n n Neumann W e b e r Weber A m p e r e Ampere 等。
另一种是近距观点认为力是通过某种媒介传递的。代表人 物有 F a r a d a y Faraday M a x w e l l Maxwell 等。实践已经证明,近距观是正确 的,媒介就是电场

电场的定义是这样的:
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即场点电荷 q 0 q_0 所受到的电场力与该电荷的比值。

那么,结合刚刚的库伦定律,我们就可以得到点电荷 q q 所产生的电场的计算公式:
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这里有一个小插曲——为什么电场强度和距离的平方成反比?我们针对上面这个公式理解一下:这个式子是针对一个点电荷形成的电场,我们分别看看正负电荷形成的电场是怎么样的:
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假设现在有一个点源开始向四面八方传播,因为它携带的能量是一定的,那么在任意时刻能量达到的地方就会形成一个球面。而球面的面积公式 S = 4 π r ² S=4πr² ,这个面积它是跟半径的平方 r ² 成正比的,换句话说:我们同一份能量在不同的时刻要均匀的分给 4 π r ² 4πr² 个部分,那么每个点得到的能量就自然得跟 4 π r ² 4πr² 成反比.


然而,上述的公式是计算一个点电荷的电场,那么多个电荷所产生的电场应该如何计算呢?—— 电场的叠加!
那么,n 个电荷所产生的电场我们就可以写成这样的形式:
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然而,问题又来了:如果电荷不是一个一个的,而是大量分布的,那我们上述的办法就有些捉襟见肘了。怎么办呢?——这是就要请出微积分大法了!

关于分布电荷,我们一般可以分为:体电荷、面电荷和线电荷。同时我们也可以引入体电荷密度、面电荷密度和线电荷密度,通过积分的形式来表述整个 体、面或者线上所包含的电荷总量

如下所示:
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那么自然而然地,对于分布电荷所产生的电场,我们就可以根据它的形状是 体、面还是线分布,得出他们分别的电场计算公式了:

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考试技巧:关于这部分,我们需要记忆无限长直导线周围的电场、圆环在其轴线上产生的电场

但是,我们明显可以发现,这样的计算未免过于复杂,有没有更加简单而优美的方式呢?—— 有!我们在下一个连载中接着讲!

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