勻強電場和勻強磁場的問題?

時間 2021-06-06 23:56:51

1樓:陳可鑑

不能。因為真的有大小相同,方向不同的電場和磁場。

樓上的通電螺繞環的例子已經很不錯了,但點電荷電場的場強只是在某乙個面上等大,不太有說服力。我就補充乙個等大不同向電場的構造。

比如我們想構造乙個從 O點幅散開的電場,場強大小恒為 E。

那麼只需電荷密度即可。即電荷密度隨距離呈反比分布。(推導見後面)

這裡是指單位體積內的電量,r 為到球心的距離,是真空介電常量。

同樣地,若圓柱形導體中,即電流密度隨距離呈反比分布,那麼磁場處處大小相等,方向沿與圓柱軸垂直的圓周切向。這裡是電流密度。

推導過程:

祭出靜電學的高斯定理:

這個公式可能稍微有點超出高中範疇,簡要說明下:

等式左側是電場強度對某一閉合曲面的面積分,叫做「電通量」,可以直觀理解成穿出閉合曲面的電場線條數。右側是閉合曲面包圍體積內的總電量除以。這個公式可以直觀理解為「穿出閉合曲面的電場線條數正比於閉合曲面內電量」。

顯然,在曲面內的電荷發出的電場線穿出曲面,對電通量有貢獻,在曲面外的電荷發出的電場線穿入又穿出,抵消掉了,所以無貢獻。

設電荷是球對稱分布的。取 O點為球心做兩個同心球面,半徑為 r 和 r+dr ,則穿過兩球面的電通量的差等於兩球面中間部分體積內包含的電量除以。令 dr 為一小量,即, 則體積近似為。

有由於 ,將展開後略去二階小量,得

化簡即得。

(當然,用微分形式的高斯定理也很容易,但偏數學一點,就不給出了。)

說明:這裡的電場是帶電區域內的,若電荷分布延伸至無窮遠,則在全空間中電場強度都等大。

關於磁場的證明是類似的,只需用安培環路定理即可。

這裡僅僅舉了乙個簡單情況,實際上,還有很多情況都滿足「場強等大,方向不同」。利用高斯定理的微分形式,即可在已知電場分布的情況下直接求出電荷分布,是十分簡便的。題主可以自行了解。

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