分析静电场中零势点的选择

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  摘 要:在静电场中,电势是一参考量,所以只有在零电势点确定后,才可谈空间中的电势,零电势选择得当可使问题简化,选择不当,则会使电势的表达形式比较繁琐甚至出现无确定的值。本文将从几种典型电场的零电势位置的确定,说明选择零电势点的一般原则和方法。
  关键词:静电场;零势点;选择
  一、电势零点选择的任意性和受限性
  1.电势零点选择的任意性
  电场中某点的电势是相对零电势点而言的,静电场力把单位正电荷从场点p处移到参考点 处所作的功是 。例如带电量为正 的点电荷电场,若选无穷远处为电势零点,则电场中任意点的电势为 = 其中 是场点到点电荷 的距离,若零电势点选在距点电荷rA处,则 = ( )显然,电势零点选择位置不同,该点的电势值不同,但它们都有确定的物理意义,且零势点的选取不会影响电势的变化规律。因此,对于点电荷,它的零电势点无论选在何处,电场 ,其性质没有变,所以我们可以这样说,对于点电荷电场,电势零点的选择具有任意性。
  2.电势零点选择的受限性
  电势零点的选择虽然带有一定的任意性,但也受一定条件限制,这个条件是:电势零点一旦选定,电场中各个点电势必须具有确定的值,否则就毫无意义,即积分
  必须是收敛的,所以说电势零点的选择要依具体问题具体分析。
  由一定带电体系所决定的电场,其场强是场点的矢量函数,它的形式一般为 其中A是与场源电荷分布情况,场源电荷电量大小及选取单位有关的比例系数,r指场点至带电体或至带电体系中心的距离,m为整数,电场中某一点的电势可写为:
  = =
  从上式可以看出,电势参考点的选取由m决定,下面分三种情况讨论电势。
  (1)当m>1时,零电势参考点的选取
  此时,电场中p点的电势可写为 = = =A ,对(1)式,当取无穷远处为电势零点时 ,当取电场中某一点 为电势零点时 ,当取带电体本身的电势为零时 ,例如点电荷的电场 ,电偶极子的电场 ,电四极子的电场 =
  三式都是电荷分布在有限的区域内电场强度的表达式,且其中的m均大于1,只是在选无穷远的电势为零时,它的数学表达式最为简单,便于我们处理问题。
  (2) 当m<1时,零电势参考点的选取
  此时,空间中某一点的电势可写为 = = = ,同理,当取无穷远处为电势零点即 时 = ,当取带电体本身所在处为电势零点即 时 = ,当取带电体附近的某一点 为电势零点即 时
  同样,当m<1时,带电体系激发的场中零电势的参考点既可选在带电体的表面上,又可选在电场中的某一点上,当选择无穷远处的电势为电势零点时,电场中任意一点的电势 = ,没有意义。
  (3)当m=1时,零电势参考点的选取
  此時,带电体系在空间激发的电场中某点的电势可写为 = = = ,当取无穷远处为电势零点时, = 当取带电体本身所在处为电势零点时即 时, = ,当取带电体附近的某一点 为电势零点即 时, = ,由上式我们可以看出,当m=1时,要想使电势的数学表达式有意义, 必须不为零,那样, 才有确切的值。
  1.3 零点不同的电势如何叠加
  在匀外场 中置入一个点电荷 ,把坐标原点取在点电荷所在处,均匀电场的电势零点,我们设为 ,则 ,点电荷的电势为 ,若选无穷远处为零点,则 = ,则合电场的电势通常表示为
  我们知道,无论零点如何,电势的表达式中,变量项的形式总是一定的,因为零点不同,电势只差一个常数,只影响常数项,而点电荷电场的电势随空间变化的规律取决于 ,均匀电场的电势取决于 ,两个场叠加起来以后,变化规律取决于 + ,而零电势点的变化,只须改变 的取值即可,均匀电场的电势在x方向的变化规律。
  参考文献
  [1] 梁俊.物理学中对于“零”的理解及其应用[J].物理教学探讨,2002(11):35-36.
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