卅三先生的工程电磁场讲座.EEm04——电势能002

电势差的计算与应用
本文详细介绍了电势差的定义、计算方法及其在不同电荷形成电场中的应用。通过对比外力做功公式,阐述了电势差的概念,并强调了其相对性和标量性质。特别针对点电荷电场,简化了电势差的计算过程,指出越接近正电荷,电位越高。此外,文章还提供了解决复杂电场问题的两种思路:直接计算电势差和利用电位的标量特性进行叠加计算。

知识点:电势差的计算


在了解电势能、电势差之前,首先要回顾一下上一讲所讨论的问题——外力在电场中移动电荷所做的功,其计算公式如下:


可以看出,此公式体现的是在移动电荷的过程中,外部能量消耗了多少。进一步分析可以发现,如果电荷为正,且按电场强度方向移动电荷的话,外力做功为负值,也即本质上没有消耗外部能量。


两点之间电势差的物理意义就是,把单位正电荷从一点移动到另一点时,外力所做的功。


对比上面的外力做功公式,显然差别就是一个Q,所以上一讲所讨论的运算方法,在计算电势差时仍然有效。进一步引申,可以得到下面两式:


特别要注意的是V后下标和积分上下限之间的关系,即Vab的积分路径从b点到a点!!!(当然负号也不要丢)。


电势差是个相对值,所以要说“两点间的电势差”,但如果我们指定某一点的电势为零(通常是指定无穷远处电势为零),则其他任意点与无穷远处的电势差就可以简称为该点的电势(或电位)了。

在一个点电荷形成的电场中,有


假设B是无穷远处的一点,且指定无穷远处为电势零点,则上式可以简化为:


非常简单的一个表达,没有了积分的繁琐,点电荷形成的电场中,任意一点的电位仅取决于Q和该点距Q的距离!同时也可以看出,越接近正电荷,电位越高

更为重要的是,电位是标量,可以直接叠加计算(不需要像电场那样还需要关注方向问题)。这个特性在计算多个电荷构成的混合电场时,显得尤为珍贵。


看看这道题目


当然,如果你对自己的计算能力足够自信的话,你可以先求出三种电荷构成的混合电场的表达式,然后再任意设计一条积分路线从而得到结果,但是其中的困难程度是骇人的。

另一种思路则是充分利用各种电荷的电场的对称性(点电荷电场球对称,线电荷电场圆柱对称,面电荷电场方向简单)以及电位的标量特性,先分别求出在每一种电荷单独形成的电场中,N的电位,然后叠加的得解。


注:所谓对称性的应用,是指在点电荷中形成的电场中,只需要求出不同点距点电荷的距离,即可方便地求出电势差。

在线电荷形成的电场中,由于,只需求出两个点相对于该线电荷轴向的距离,就可以求出电势差。

面电荷,也一样,求出N方向两点距离即可。

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