5.1.3 电场强度的概念
库仑定律只说明两个点电荷相互作用力的大小和方向是怎样确定的,并没有说明它们之间的作用是怎样进行的。关于这一问题,历史上曾有两种不同的观点:一种是超距作用的观点,它认为一个电荷所受到的作用力是由另一个电荷直接作用的结果,这种作用既不需要中间物质,也不需要传递时间,而是从一个电荷即时地到达另一个电荷,这种作用方式可表示如下:
电荷⇆电荷
另一种是近距作用的观点,它认为在带电体周围空间存在着电场,其他带电体所受到的力(即电场力)是由电场给予的,这种作用方式可表示如下;
电荷⇆电场⇆电荷
近代物理学证明,后一种观点是正确的。
理论和实验还证明,电磁波能够脱离电荷和电流而独立存在;和原子、分子组成的实物一样,电磁场也具有动量、能量和质量。这说明电磁场具有物质性,场也是物质的一种形态。
相对于观察者静止的带电体周围所存在的场,称为静电场。静电场的对外表现主要有:
①引入电场中的任何带电体都将受到电场的作用力,称为电场力;
②当带电体在电场中移动时,电场所作用的力将对带电体做功,这表示电场具有能量。我们将从力和功这两个方面,分别引出描述电场性质的两个重要物理量——电场强度和电势。
实验表明,电荷周围存在着电场。
要研究静电场的性质和特点,首先应该定义一个物理量来定量描述静电场,那就需要从静电场的特点入手。静电场的特点是它对其他电荷有作用力。我们将抓住这个特点来定义描写电场的物理量——电场强度。
设有这样一种电荷,它满足:
①体积足够小,可以看成是点电荷,以至于可以把它放到电场中的某一个点(称为场点)上去测试它受到的电场力;
②电量足够小,以至于把它放进电场中时对原来的电场几乎没有影响,这种电荷叫作试验电荷(常用q 0表示)。
当我们将试验电荷放进各种各样的电场来测量它所受的电场力时我们会发现如下的结果。
①在同一个电场中不同地方的受力大小和方向一般不同(如图5.1所示),这说明电场是有强弱分布的,并且有方向性,描写电场的物理量应该是一个矢量。
②在同一个电场中的同一点处试验电荷所受的力F与其电量q 0成正比,这个结果表明试验电荷的受力与其电量的比值是一个与试验电荷无关,只与考察点处的电场特性有关的量。
图5.1 电荷的场强
我们定义比值(及其方向)
叫作电场的电场强度(简称为场强)。将试验电荷放置在静电场中不同的地方,测量它的受力大小和方向,然后通过上面的定义式就可以得到该点处电场强度的大小和方向。
在国际单位制中,电场强度的单位是伏特每米,符号为V/m。也可以用牛顿每库仑(N/C)表示。
从上面的定义式(5.1)我们可以知道,电场强度的物理意义是:单位正电荷所受到的电场力。例如,电场中某点处的场强大小为5 V/m,则一个单位正电荷在该点处所受到的电场力的大小为5 N,电场力的方向就是该点处场强的方向。