電荷對與偶極子的電場:HSC 物理

學習如何運用疊加原理、對稱性和向量相加來建構及解讀電場圖樣。內容包括例題、零電場判斷及偶極子電場分析。

兩個帶電粒子相距幾公分。在它們之間的某一點,每個電荷都會產生一個電場。那麼,該點會發生甚麼情況?

一個很容易想到的答案是,兩個電場會在那裡「相遇」並互相干涉。但電場並不會碰撞。每個電荷都會產生自己的電場,而這些電場只是以向量方式相加。

只要掌握這個疊加原理,你便可以建構電荷對周圍的電場、解釋偶極子電場的形狀,並找出總電場為零的位置。

在繼續之前,先作一個預測。把兩個大小相等的正電荷並排放置。在正中央的中點,電場會指向哪個方向?

它不會指向任何方向。兩個電場的大小相等、方向相反,因此淨電場為零。

現在,把其中一個正電荷換成大小相等的負電荷。在中點,兩個電場仍會互相抵消嗎?

不會。現在兩個電場都由正電荷指向負電荷,因此它們會相加。

這種反轉,是理解電荷對電場時最有用的概念之一。

01從單一電荷的電場開始

對於單一點電荷,電場大小為

\[ E=\frac{k|q|}{r^2} \]

其中:

  • \(E\) 是電場強度,單位為牛頓每庫侖(\(\text{N C}^{-1}\)),
  • \(k\) 是庫侖常數,\(8.99\times10^9\ \text{N m}^2\text{C}^{-2}\),
  • \(q\) 是以庫侖(\(\text{C}\))為單位的電荷量,而
  • \(r\) 是與電荷的距離,以米(\(\text{m}\))為單位。

\(q\) 外面的絕對值符號表示,這條方程式給出的是電場的大小。電荷的正負則決定電場方向:

  • 遠離正電荷,
  • 指向負電荷。

想像在附近放置一個很小的正試驗電荷。正的源電荷會排斥它,負的源電荷會吸引它。電場方向定義為該正試驗電荷所受力的方向。

並排的電場圖:正點電荷的徑向箭嘴向外,而負點電荷的徑向箭嘴向內。
電場線由正電荷向外,並指向負電荷。

這幅圖很有用,但它只是第一層概念。當存在多於一個電荷時,我們必須考慮在該點作用的每一個電場。

02疊加原理就是向量相加

假設電荷 A 在某一點產生電場 \(\vec E_A\),而電荷 B 在同一點產生 \(\vec E_B\)。

總電場為

\[ \vec E_{\text{net}}=\vec E_A+\vec E_B \]

符號上方的箭嘴很重要。電場是向量,所以必須同時考慮大小和方向。

除非兩個電場剛好指向相同方向,否則這並不是普通的數值相加。

如果兩個人以相同大小的力拉著你背包的兩端,而且方向相反,你不會把兩個力的大小相加,然後宣稱背包會飛上天花板。方向很重要。電場也是同一道理,只是幸好通常不會弄壞那麼多文具。

對任何選定的點,一個可靠的方法是:

  1. 分別求出每個電荷所產生的電場。
  2. 判斷每個電場在該點的方向。
  3. 把各個電場以向量方式相加。
  4. 解讀所得結果的方向和大小。

對於位於兩個電荷連線上的點,向量通常只沿一個維度,因此你可以直接把它們的大小相加或相減。

離開這條連線後,你可能需要把電場分解成互相垂直的分量。

03兩個同號電荷

考慮兩個大小相等的正電荷。

在任何一個電荷附近,它本身的電場都會佔主導,因為距離愈小,電場強度便會迅速增加。

然而,在兩個電荷之間,兩個電場的方向相反。

在正中央的中點:

  • 與兩個電荷的距離相等,
  • 兩個電荷的大小相等,
  • 兩個電場的大小相等,而且
  • 它們的方向相反。

因此,

\[ \vec E_{\text{net}}=0 \]

這不代表該處不存在電場。每個電荷仍然各自產生一個電場。只是這兩個向量在該特定位置相加後等於零。

只要稍微向其中一個電荷移動,這種抵消便會消失。由於 \(E\) 取決於 \(1/r^2\),距離較近的電荷會立即產生較強的電場。

對於兩個大小相等的負電荷,整個電場圖樣的方向會反轉,但中點仍然存在一個電場為零的位置。

兩個大小相等的正電荷產生向外輻射的電場線,並從兩電荷之間的區域向外彎曲;中點處的電場為零。
對於兩個大小相等的正電荷,由於對稱性,兩個電場在中點恰好互相抵消,而周圍的電場線則向外彎曲。

例題:兩個正電荷中點的電場

兩個 \(+3.0\ \text{nC}\) 的電荷相距 \(0.40\ \text{m}\)。求它們中點的淨電場。

步驟 1

中點距離每個電荷

\[ r=\frac{0.40}{2}=0.20\ \text{m} \]

。

步驟 2

由於 \(3.0\ \text{nC}=3.0\times10^{-9}\ \text{C}\),

\[ E=\frac{k|q|}{r^2} =\frac{(8.99\times10^9)(3.0\times10^{-9})}{(0.20)^2} =6.74\times10^2\ \text{N C}^{-1} \]

因此,每個電荷產生的電場約為 \(674\ \text{N C}^{-1}\)。

步驟 3

兩個電荷都是正電荷,所以各自的電場都指向遠離其源電荷的方向。在中點,兩個電場剛好指向相反方向。

因此,

\[ E_{\text{net}}=674-674=0\ \text{N C}^{-1} \]

淨電場為零,因為在中點有兩個大小相等但方向相反的電場向量作用。這是一個抵消點,而不是各個電場停止存在的位置。

04兩個異號電荷

現在,把一個正電荷放在一個大小相等的負電荷旁邊。

在繼續閱讀之前,先預測中點的電場方向。

正電荷所產生的電場指向遠離正電荷的方向。負電荷所產生的電場指向負電荷。

在兩個電荷之間,這兩個方向相同。

所以,兩個電場會相加。

這是學生經常作出錯誤預測的地方。直覺上很容易認為,異號電荷應該產生方向相反的電場,所以會互相抵消。但你必須判斷每個電場在所考慮的那一點的方向。

在一個正電荷和一個負電荷之間,兩個電場向量都由正電荷指向負電荷。

05電偶極子

一對大小相等、電荷分別為 \(+q\) 和 \(-q\),並相距一段距離的電荷,稱為電偶極子。

它的電場圖樣與任何一個孤立電荷周圍的圖樣都不同。

電場線:

  • 由正電荷開始,
  • 終止於負電荷,
  • 在周圍空間中平滑地彎曲,而且
  • 在電場較強的地方排列得較密。
電偶極子示意圖,包含大小相等的正、負電荷,電場線由正電荷指向負電荷,並標示偶極軸及垂直平分線。
電場線由 +q 出發並終止於 −q;垂直平分線是位於兩電荷正中間的對稱線。

電場線是電場的一種表示方式。它們並不是實際存在於空間中的繩線。

以下三條規則有助於解讀電場線:

特徵意義
電場線的方向\(\vec E\) 的方向,由正電荷指向負電荷
電場線較密電場較強
電場線在某點的切線方向該點電場的方向

電場線亦永遠不會相交。

為甚麼?想像兩條線在同一點相交。其中一條線表示電場指向某個方向,另一條則表示它指向另一個方向。但在同一點,一個向量只能有一個淨方向。

電場線的疏密只提供定性資訊。除非該圖本身就是按照這種定量關係繪製,否則一幅圖中畫出的電場線數目是另一幅的兩倍,並不能自動證明電場強度剛好也是兩倍。

06偶極子電場中的一種實用對稱性

考慮等量異號偶極子中點正上方的一點。

兩個電荷與該點的距離相同,因此它們產生大小相等的電場。

那麼,這些電場會互相抵消嗎?

不會完全抵消。

正電荷產生的電場指向遠離 \(+q\) 的方向。負電荷產生的電場指向 \(-q\)。它們的垂直分量方向相反,因此互相抵消,但水平分量都由正電荷一側指向負電荷一側。

所以,淨電場平行於偶極軸,並由 \(+q\) 指向 \(-q\)。

這很好地說明了為甚麼「電場大小相等」並不自動代表「淨電場為零」。必須逐個分量考慮其方向。

例題:電偶極子上方的電場

一個偶極子由位於 \(x=-0.15\ \text{m}\) 的 \(+4.0\ \text{nC}\) 和位於 \(x=+0.15\ \text{m}\) 的 \(-4.0\ \text{nC}\) 組成。P 點位於中點正上方 \(0.20\ \text{m}\) 處。求 P 點的淨電場。

步驟 1

每個電荷、中點和 P 點組成一個直角三角形。

\[ r=\sqrt{(0.15)^2+(0.20)^2}=0.25\ \text{m} \]

步驟 2

\[ E=\frac{k|q|}{r^2} =\frac{(8.99\times10^9)(4.0\times10^{-9})}{(0.25)^2} =5.75\times10^2\ \text{N C}^{-1} \]

因此,每個電荷在 P 點產生的電場約為 \(575\ \text{N C}^{-1}\)。

步驟 3

由三角形可得,

\[ \frac{0.15}{0.25}=0.60 \]

所以,每個電場的水平分量為

\[ E_x=(575)(0.60)=345\ \text{N C}^{-1} \]

垂直分量大小相等但方向相反,所以互相抵消。

兩個水平分量都指向負電荷。

步驟 4

\[ E_{\text{net}}=345+345 =690\ \text{N C}^{-1} \]

因此,淨電場約為

\[ \boxed{6.9\times10^2\ \text{N C}^{-1}} \]

方向水平地由正電荷指向負電荷。

重要的不只是數值。對稱性使垂直分量互相抵消,而疊加原理則令水平分量彼此加強。

07不靠猜測建構電場圖樣

你很少需要計算數百個位置的電場。相反,你會利用各個電場的行為,再配合對稱性和疊加原理,建構整體圖樣。

對於兩個電荷,可以從以下幾點開始判斷。

1. 標示每個電荷附近的電場方向

在非常接近某一個電荷的位置,通常是該電荷本身的電場佔主導。

因此,電場線:

  • 從正電荷離開,
  • 進入負電荷。

2. 檢查兩個電荷之間連線上的情況

對同號電荷而言,兩個電場在電荷之間互相反向。

對異號電荷而言,兩個電場在它們之間指向同一方向。

3. 尋找對稱性

大小相等的電荷會產生對稱的圖樣。

如果兩個大小相等的正電荷分別位於原點的左、右兩側,整個圖樣必須關於垂直平分線呈鏡像對稱。

對稱性亦可以讓你在無須逐一計算的情況下,判斷哪些分量會互相抵消。

4. 考慮相對距離

由於

\[ E\propto \frac{1}{r^2}, \]

距離較近的電荷可能變得影響大得多。

把距離減半,電場便會變成四倍。

5. 讓電場線跟隨淨電場

在任何一點,電場線都必須與該處的合成電場相切,而不是只跟隨其中一個電荷的電場。

這就是電場線會彎曲的原因。

你可以想像每個電荷都試圖把一支箭嘴指向自己偏好的方向。最後的箭嘴,是所有這些「建議」的向量和。電場線則逐點跟隨這支最終箭嘴的方向。

這個心像模型有其局限。電荷並不是真的在互相協商,而電場線也不會實際移動或彎曲。這個類比只是幫助你想像整個空間中不斷進行的向量相加。

08最容易令人誤解的觀念:異號電荷會在兩者之間抵消

這一點值得明確說明。

假設 \(+q\) 在左邊,而 \(-q\) 在右邊。

在它們之間的某一點:

  • \(+q\) 產生的電場向右,遠離 \(+q\),
  • \(-q\) 產生的電場也向右,指向 \(-q\)。

因此,淨電場向右。

對於兩個大小相等的正電荷:

  • 左邊的電荷在兩者之間產生向右的電場,
  • 右邊的電荷在兩者之間產生向左的電場。

這些電場可以互相抵消。

所以,有用的規則並不是「異號就會抵消」。

真正有用的規則是:

先畫出每個電場在該點的方向,然後再把向量相加。

09哪些位置的淨電場可以為零?

一個零電場點要求電場向量同時具備:

  1. 大小相等,以及
  2. 方向相反。

兩個條件缺一不可。

對大小相等的同號電荷而言,這會發生在中點。

對大小不相等的同號電荷而言,零電場點仍可能出現在兩者之間,但會較接近電荷量較小的那一個。

為甚麼較接近較小的電荷?

在相同距離下,較小的電荷產生的電場較弱。若要使它的電場與較大電荷的電場相等,就必須移近較小的電荷。

對大小相等的異號電荷而言,在連接兩個電荷的直線上不存在有限距離的零電場點。在兩個電荷之間,兩個電場方向相同。在電荷對外側,兩個電場方向相反,但距離較近的電荷同時具有恰當的大小優勢,因此在任何有限位置都無法達到大小相等。

然而,對大小不相等的異號電荷而言,零電場點可能出現在電荷對外側。在進行任何代數運算之前,應先判斷方向。

這個習慣可以避免做很多沒有意義的方程式計算。

10問題與解答

問題 1

兩個相同的正電荷 \(+2.0\ \text{nC}\) 相距 \(0.30\ \text{m}\)。它們中點的淨電場是多少?請解釋你的推理,不要只依賴對稱性。

解答 1

中點的淨電場為 \(\boxed{0\ \text{N C}^{-1}}\)。

中點與每個電荷相距 \(0.15\ \text{m}\)。因此,每個電荷產生的電場為

\[ E=\frac{k|q|}{r^2} =\frac{(8.99\times10^9)(2.0\times10^{-9})}{(0.15)^2} =7.99\times10^2\ \text{N C}^{-1} \]

所以,每個電場的大小約為 \(799\ \text{N C}^{-1}\)。

兩個電荷都是正電荷。左邊電荷產生的電場指向遠離它的方向,也就是向右。右邊電荷產生的電場同樣指向遠離它的方向,也就是向左。

因此,兩個向量大小相等、方向相反:

\[ E_{\text{net}}=799-799=0\ \text{N C}^{-1} \]

重點是,各個電場本身並不是零。為零的是它們的向量和。

問題 2

一個 \(+5.0\ \text{nC}\) 電荷和一個 \(-5.0\ \text{nC}\) 電荷相距 \(0.20\ \text{m}\)。求中點電場的大小和方向。

解答 2

淨電場為 \(\boxed{8.99\times10^3\ \text{N C}^{-1}}\),方向由正電荷指向負電荷。

中點與每個電荷的距離為

\[ r=0.10\ \text{m} \]

。

每個電荷產生

\[ E=\frac{k|q|}{r^2} =\frac{(8.99\times10^9)(5.0\times10^{-9})}{(0.10)^2} =4.495\times10^3\ \text{N C}^{-1} \]

在中點,正電荷產生的電場指向遠離正電荷的方向。負電荷產生的電場指向負電荷。

這兩個方向相同,所以電場相加:

\[ E_{\text{net}} =4.495\times10^3+4.495\times10^3 =8.99\times10^3\ \text{N C}^{-1} \]

一個常見錯誤是因為兩個電荷正負相反,便把兩個電場相減。電荷的正負決定每個電場的方向,並不代表你應該自動把它們的大小相減。

問題 3

一個 \(+1.0\ \text{nC}\) 電荷位於 \(x=0\),而一個 \(+4.0\ \text{nC}\) 電荷位於 \(x=0.30\ \text{m}\)。求兩個電荷之間淨電場為零的位置。

解答 3

零電場點為 \(\boxed{x=0.10\ \text{m}}\),它較接近較小的 \(+1.0\ \text{nC}\) 電荷。

設零電場點與 \(+1.0\ \text{nC}\) 電荷的距離為 \(x\)。

那麼,它與 \(+4.0\ \text{nC}\) 電荷的距離為

\[ 0.30-x \]

。

在兩個正電荷之間,兩個電場方向相反,因此有可能互相抵消。要使淨電場為零,兩者的大小必須相等:

\[ \frac{k(1.0\times10^{-9})}{x^2} = \frac{k(4.0\times10^{-9})}{(0.30-x)^2} \]

約去 \(k\) 和 \(10^{-9}\):

\[ \frac{1}{x^2} = \frac{4}{(0.30-x)^2} \]

取正平方根得

\[ \frac{1}{x} = \frac{2}{0.30-x} \]

所以

\[ 0.30-x=2x \]

因此

\[ 3x=0.30 \]

\[ x=0.10\ \text{m} \]

這個位置在物理上是合理的。\( +1.0\ \text{nC}\) 電荷較弱,所以抵消點必須更接近它,才能令它的電場強至足以與 \(+4.0\ \text{nC}\) 電荷的電場相等。

問題 4

一個 \(+9.0\ \text{nC}\) 電荷位於 \(x=0\),而一個 \(-1.0\ \text{nC}\) 電荷位於 \(x=0.40\ \text{m}\)。

一名學生聲稱,由於兩個電荷正負相反,零電場點一定在兩個電荷之間的某處。

判斷這項說法是否正確,並找出 \(x\) 軸上任何有限距離的淨電場為零的位置。

解答 4

這名學生的說法不正確。有限距離的零電場點為 \(\boxed{x=0.60\ \text{m}}\),位於 \(-1.0\ \text{nC}\) 電荷的右方。

先考慮兩個電荷之間的區域。

正電荷產生的電場指向遠離 \(+9.0\ \text{nC}\) 的方向,所以向右。負電荷產生的電場指向 \(-1.0\ \text{nC}\),同樣向右。

因此,在兩個電荷之間,兩個電場會相加。無論它們的大小如何,都不可能在該區域互相抵消。

零電場點必須位於電荷對外側。由於負電荷的大小較小,我們檢查它右方的區域。

設 \(x\) 為由 \(+9.0\ \text{nC}\) 電荷起量度的位置,且 \(x>0.40\ \text{m}\)。

與兩個電荷的距離分別為

\[ r_+=x \]

以及

\[ r_-=x-0.40 \]

。

在這個區域,正電荷產生的電場向右,而負電荷產生的電場向左。因此有可能互相抵消。

令兩者的大小相等:

\[ \frac{k(9.0\times10^{-9})}{x^2} = \frac{k(1.0\times10^{-9})}{(x-0.40)^2} \]

約去共同因子:

\[ \frac{9}{x^2} = \frac{1}{(x-0.40)^2} \]

取正平方根,

\[ \frac{3}{x} = \frac{1}{x-0.40} \]

因此,

\[ 3(x-0.40)=x \]

\[ 3x-1.20=x \]

\[ 2x=1.20 \]

\[ x=0.60\ \text{m} \]

更重要的概念是,你應該在求解電場大小之前先判斷方向。如果只由代數開始,有可能算出一個位於實際上不可能發生抵消區域的位置。

問題 5

兩個大小相等的電荷 \(+Q\) 和 \(-Q\) 組成一個偶極子。P 點位於連接兩個電荷線段的垂直平分線上。

一名學生認為:「P 與兩個電荷的距離相同,所以兩個電場大小相等,必定互相抵消。」

請準確解釋這項推理錯在哪裡,並指出 P 點淨電場的方向。

解答 5

兩個電場大小相等,但它們並不指向相反方向,所以不會完全抵消。P 點的淨電場平行於偶極軸,方向由 \(+Q\) 指向 \(-Q\)。

由於 P 與兩個電荷的距離相同,

\[ E_+=E_-=\frac{kQ}{r^2} \]

其中 \(r\) 是任一電荷與 P 的距離。

然而,只有大小相等並不足以產生抵消。

在 P 點,由 \(+Q\) 產生的電場指向遠離正電荷的方向。由 \(-Q\) 產生的電場則指向負電荷。

如果把每個向量分解為平行於偶極軸的分量,以及垂直於偶極軸的分量,垂直分量大小相等、方向相反,因此互相抵消。

平行於偶極軸的分量則指向相同方向,也就是由正電荷指向負電荷,所以它們會相加。

這名學生隱含的錯誤假設是,電場大小相等就一定代表電場向量方向相反。疊加原理要求同時考慮大小和方向。

11這為你之後的學習作了甚麼準備

疊加原理把複雜的電場圖樣化成一連串可處理的步驟:計算每一個貢獻、判斷其方向,再把向量相加。

同一種方法亦可以延伸至多於兩個電荷。即使有三個或更多電荷,基本原理都沒有改變,只是需要相加的向量更多。

這亦為你之後學習靜電學中的一個重要分別作好準備。某一點的電場可以為零,即使該點的電勢並不為零。電場是向量,而電勢是純量,因此兩者的組合方式不同。理解成對電荷所產生的電場,會令這個分別更容易看清。