电场的物理意义

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简介

电场是一种优雅的方法，有助于表征特定电荷系统内的电环境。这里，在电物理学中应用时，用E、F和Q定义单位力。它通常描述围绕电荷形成的环境。它可以在空间的不同点定义，通常指定义空间每个点的量。

什么是电场？

电场是电物理学中用E表示的试验电荷的独立系统属性。它是表征存在特定电荷系统的电环境的一种优雅方法。电场是空间中的一点，表示在空间的某一点经过一定时间后可以感受到的正电荷的单位力。

图1：电场

电场是指定义空间不同点的量，通常从一点到另一点变化（Electricaltechnology，2022）。它作为场内带电粒子周围的物理场出现。电场可以在某个空间中以吸引态或排斥态出现。它还有助于分析空间中任何一点的单位电荷内的力 (Namboodiri, 2018)。

电场公式

电场通常是由空间内的电荷产生的，这些电荷形成在带电力的元件周围。它存在于几乎所有空间点，可以通过将其他电荷带入电场来观察到。电场通常用E、F和Q表示。这里，E表示电场，F表示电力，Q是电场周围的试验电荷 (Benea-Chelmus et al. 2019)。因此，电场的通用公式为E = F/Q。类似地，当电荷彼此远离时，电场的数值也变为0。电场是一个矢量量，其方向与电荷方向相同或相反。

例如，F 等于 $k\rvert q1q2\rvert/r2$ (Openstax.org, 2022)。它表明，由于q2在代入后用试验电荷定义，它成为F，$E=[K\rvert q_{1}\rvert]/r^{2}$

电荷的定义

电荷是物质的一种属性，它可以相互吸引或排斥。根据物质之间吸引或排斥的能力，电荷可以是正电荷或负电荷。物质之间的相反电荷可以根据其排斥能力是正负、正正或负负。

图2：正电荷

正电荷包含比电子更多的质子，同时包含正电荷和负电荷。当物体包含更多质子时，可以将其识别为带正电的物体。就正电荷而言，场线朝外方向延伸 (Khan et al. 2018)。例如，如果用丝绸摩擦玻璃，它就会带正电，因为玻璃中的质子比电子多。

图3：负电荷

负电荷在充电时包含比质子更多的电子。当物体的电子数量比质子数量多时，可以将其定义为带负电的物体 (Sciencefacts.net, 2022)。就负电荷而言，电场的场线朝内方向延伸。例如，如果用丝绸摩擦玻璃，丝绸就会带负电，因为在充电时，它比质子有更多的电子。

库仑定律

根据库仑定律，电荷相互排斥或吸引，因为它们彼此施加力。这里，不同电点之间的力理想情况下带电并集中在空间的特定点。该定律指出力的幅度或强度彼此成正比。

图4：库仑定律

库仑的实验基于平方反比定律，涉及两个不同质量之间的力，它们成反比。库仑第一定律指出，正电荷相互排斥，而负电荷相互吸引 (Electricaltechnology.org, 2022)。第二定律说，在两个带电体（此处为Q₁和Q₂）之间，当正确施加电力 (F) 时，共同关系彼此成正比。

电场的物理意义

静态条件下

在静态条件下，围绕电荷系统周围的电环境由电场来表征。在每个点上，表征可以从一个点到另一个点变化 (Namboodiri, 2018)。

非静态电磁条件下

在这种情况下，电磁波是由加速运动产生的，同时以一定速度传播，并对其他电荷施加一定力。这里，电场和磁场与能量的传输有关。从本质上讲，在这种情况下，电荷之间的相互作用表现为电磁的。电场和磁场都被视为物理实体，因为它们都可以通过它们的力来检测 (Khan et al. 2018)。简而言之，电场的物理意义会根据不同的情况而变化。

结论

电场内始终存在一定量的力。由于力是矢量，并且与电场有着密切的联系，因此电场也可以定义为与力方向相同的矢量场。简而言之，电场是电荷的独立系统，它方便地描述了电荷周围的电环境。此外，当传播并施加一定力时，表征可以从一个点到另一个点变化。

常见问题

Q1. 是否可以在没有带电粒子存在的情况下产生电场？

是的，可以在没有带电粒子的情况下产生电磁场。它可以涉及麦克斯韦方程的所谓真空解，以评估非平凡解。

Q2. 电场线的吸引力和排斥力是什么？

就吸引而言，电场线从正电荷指向负电荷。与吸引不同，就排斥而言，场线从负电荷指向正电荷。

Q3. 电场的一些例子是什么？

当电灯通过电连接连接到电源时，会产生电场。另一个例子是天线传输无线电或电视信号。这里，在传输信号时，天线周围会形成电场。

Q4. 测量电场的 SI 单位是什么？

电场用伏特每米 (V/m) 的 SI 单位测量。此外，牛顿和库仑也用于测量电场内的电荷单位。

参考文献

书籍

Namboodiri, C. K. (2018). Development of a glossary for the technical terms of the NCERT Physics text books at senior secondary level. Retrieved from: http://ir.riemysore.ac.in:8080/jspui/bitstream/123456789/122/1/Development%20of%20a%20glossary%20for%20the%20technical%20terms%20of%20the%20NCERT%20Physics%20text%20books%20at%20senior%20secondary%20level-2018.pdf

期刊

Benea-Chelmus, I. C., Settembrini, F. F., Scalari, G., & Faist, J. (2019). Electric field correlation measurements on the electromagnetic vacuum state. Nature, 568(7751), 202-206. Retrieved from: https://arxiv.org/pdf/1809.01785

Khan, H., Haneef, M., Shah, Z., Islam, S., Khan, W., & Muhammad, S. (2018). The combined magneto hydrodynamic and electric field effect on an unsteady Maxwell nanofluid flow over a stretching surface under the influence of variable heat and thermal radiation. Applied Sciences, 8(2), 160. Retrieved from: https://www.mdpi.com/2076-3417/8/2/160/pdf

网站

Sciencefacts.net, (2022). Positive and Negative charge. Retrieved from: https://www.sciencefacts.net/electric-field.html [检索于2022年6月2日]

Electricaltechnology.org, (2022).Electric field. Retrieved from: https://www.electricaltechnology.org/2021/02/difference-between-electric-field-magnetic-field.html [检索于2022年6月2日]

Openstax.org, (2022). Formula of Electric field. Retrieved from: https://openstax.org. [检索于2022年6月2日]