電場單位

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引言

幾乎所有物理學中的力都具有相關的“場”。簡單來說，這個概念是為了提出一個量來衡量力的來源強度。

在物理學中，“場”指的是一種物理量，其特徵是在空間和/或時間的不同點具有特定的值。它可以用標量或向量表示。在本教程中，我們將討論一種稱為電場的場型別及其測量單位。

什麼是電場？

電場是一種存在於帶電粒子周圍的物理場，它對周圍的其他帶電物體施加力。這種力的性質取決於兩個電荷的相似性，規則是同性電荷相互排斥，如同兩塊磁鐵的同極。

電場可以由單個帶電粒子、許多帶電粒子的系統，甚至是由隨時間變化的磁場產生。後一種情況是法拉第定律的結果。

可以透過將帶電粒子所受的力除以其電荷來找到某一點的電場值。也就是說：

$$\mathrm{\overrightarrow{E}=\frac{\overrightarrow{F}}{q}}$$

雖然上述表示在大多數情況下足夠，但在靜電和電動力學中，通常更容易直接用電場來表示問題。電場的更好表示是根據電勢，我們用電勢表示電場為：

$$\mathrm{\overrightarrow{E}(\overrightarrow{r})=-\frac{dV}{dr}}$$

因此，電場的另一個定義是：“電勢的負梯度給出電場”。

電場的SI單位

為了推匯出電場的SI單位，我們可以使用它的定義。由於它是電勢的梯度（負），因此它的SI單位只是伏特每米（V/m）。

就基本單位而言，分子中的伏特可以展開，從而給出電場的基表示為$\mathrm{m\cdot kg \cdot s^{−3}\cdot A^{−1}}$

電場的匯出單位

可以從電場的其他定義推匯出電場的其他單位。因此，V/m單位相當於N/C。

最常用的是我們使用V/m的SI單位來討論電場。就數值而言，N/C和V/m是相等且可以互換的。

電場的重要性

表徵電荷系統

當我們討論系統本身時，可以單獨處理電荷系統中的每個電荷。但是，要了解該系統作為一個整體對其他電荷的影響，單獨處理每個電荷是沒有意義的。

電場是一個向量量，遵循疊加原理。因此，使用向量加法，我們可以將系統中每個電荷的電場值相加，並找到淨電場。然後，可以使用此淨電場來描述系統對周圍電荷的影響。

靜電和電動力學問題

麥克斯韋方程組構成了電動力學的基石，它們使用電場和磁場處理所有問題。因此，用類似的術語陳述我們的問題陳述更有意義。這使得進一步的處理和計算更容易。因此，電場廣泛出現在靜電和電動力學問題中。

我們周圍存在的電場

在無數情況下都會遇到電場。但最有趣的一點是，如果沒有電場，這個世界將不復存在！原因如下：我們知道原子是由原子核和周圍的電子組成的。這些電子由原子核中質子的場保持在適當位置。如果這個電場消失，電子就會從原子中飛出，整個宇宙就會陷入混亂。

電場線

如果您曾經看過天氣地圖，您會記得風的流動是用箭頭和線表示的。這不是必要的，但這使得更容易理解風流模式。類似地，電場可以用在空間中繪製帶箭頭的線來表示。

這些線完全是想象出來的，僅作為理解電場如何在空間區域內分散的視覺輔助工具。電場的方向由箭頭的方向給出，而線的長度表示大小。由於電場不能有多個方向，因此我們永遠不會有兩條電場線相互交叉。

電場線的起點總是在正電荷處。但是，線可能以負電荷甚至無窮遠結束。也就是說，電場線（以及因此電場本身）的方向是從正電荷徑向向外，從負電荷徑向向內。

結論

在數學上，電場只是每單位電荷所經歷的力的大小。另一個根據電勢的定義如下：電場是電勢的負梯度。

根據上述定義，可以找出電場的SI單位，即伏特每米（V/m）。這個單位相當於庫侖每牛頓，可以使用這兩個單位中的任何一個。電場線的起點總是在正電荷處。但是，線可能以負電荷甚至無窮遠結束。也就是說，電場線的方向是從正電荷徑向向外，從負電荷徑向向內。

常見問題

Q1. 電場的正式定義是什麼？

A1. 在某一點上，一個極小、正的、靜止的單位電荷（且不影響源電荷）所受到的力被稱為該點的電場。

Q2. 自然界中還存在哪些型別的場？

A2. 幾乎所有力都可以用場來表徵。引力場、磁場、核場等是常見的例子。

Q3. 電場線和力線之間有區別嗎？

A3. 沒有。術語“力線”最初是由法拉第提出的，他首先提出了場線的概念。

Q4. 有沒有一種簡單的方法來計算某一點的電場？

A4. 高斯定律是一種非常容易計算電場的方法。它描述了從任何任意表面流出的電通量與封閉在其中的總電荷之間的關係。數學上，

$$\mathrm{\int\:\overrightarrow{E}\cdot\:d\overrightarrow{a}=\frac{q}{\epsilon_0}}$$

這裡，q是選定表面內封閉的總電荷。

Q5. 電場遵循哪個數學定律？

A5. 電場遵循平方反比定律，就像電力一樣。萬有引力也遵循相同的定律，在一定限度內，核力也遵循相同的定律。