在 ざい 這篇文章 ぶんしょう 內,向 むかい 量 りょう 與 あずか 标量 分別 ふんべつ 用 よう 粗 そ 體 からだ 與 あずか 斜體 しゃたい 顯示 けんじ 。例 れい 如,位置 いち 向 こう 量 りょう 通 どおり 常用 じょうよう
r
{\displaystyle \mathbf {r} \,\!}
表示 ひょうじ ;而其大小 だいしょう 則 そく 用 よう
r
{\displaystyle r\,\!}
來 らい 表示 ひょうじ 。
在 ざい 靜 しずか 電 でん 學 がく 裏 うら ,電 でん 勢 いきおい 能 のう (electric potential energy )是 ぜ 處 しょ 於電場 でんじょう 的 てき 電荷 でんか 分 ぶん 佈所具有 ぐゆう 的 てき 勢 いきおい 能 のう ,與 あずか 電荷 でんか 分 ぶん 佈在系統 けいとう 內部的 てき 組 ぐみ 態 たい 有 ゆう 關 せき 。電 でん 勢 いきおい 能 のう 的 てき 單位 たんい 是 ぜ 焦 こげ 耳 みみ 。電 でん 勢 いきおい 能 のう 與 あずか 電 でん 勢 ぜい 不同 ふどう 。電 でん 勢 ぜい 定義 ていぎ 為 ため 處 しょ 於電場 じょう 的 てき 電荷 でんか 所 しょ 具有 ぐゆう 的 てき 電 でん 勢 いきおい 能 のう 每 ごと 單位 たんい 電荷 でんか 。電 でん 勢 ぜい 的 てき 單位 たんい 是 ぜ 伏 ふく 特 とく 。
電 でん 勢 いきおい 能 のう 的 てき 數 すう 值不具有 ぐゆう 絕對 ぜったい 意義 いぎ ,只 ただ 具有 ぐゆう 相對 そうたい 意義 いぎ 。所以 ゆえん ,必須 ひっす 先 さき 設定 せってい 一個電勢能為零的參考系統。當 とう 物理 ぶつり 系統 けいとう 內的每 ごと 一個點電荷相距无穷远且其相對靜止不動時,這一物理系統通常可以設定為電勢能等於零的參考系統。[1] :§25-1 假設 かせつ 一個物理系統裏的每一個點電荷,從 したがえ 無窮 むきゅう 遠 どお 处被一外力匀速地遷移到其所在位置,该外力 りょく 做的总機械 きかい 功 こう 為 ため
W
{\displaystyle W}
,則定 のりさだ 义這系統的 けいとうてき 電 でん 勢 いきおい 能 のう
U
{\displaystyle U}
為 ため
U
:=
W
{\displaystyle U:=W}
。
在 ざい 這過程 ほど 裏 うら ,所 ところ 涉 わたる 及的機械 きかい 功 こう
W
{\displaystyle W}
,不 ふ 論 ろん 是正 ぜせい 值或負 ふ 值,都 みやこ 由 ゆかり 這物理 ぶつり 系統 けいとう 之 の 外的 がいてき 機 き 制 せい 賦 ふ 予 よ 。並 なみ 且,被 ひ 匀速遷移 せんい 的 てき 每 ごと 一個點電荷都不會獲得任何動能。
如此計算 けいさん 電 でん 勢 いきおい 能 のう ,並 なみ 沒 ぼつ 有 ゆう 考慮 こうりょ 到 いた 移動 いどう 的 てき 路 ろ 徑 みち ,這是因 いん 為 ため 電場 でんじょう 是 ぜ 保守 ほしゅ 場 じょう ,電 でん 勢 いきおい 能 のう 只 ただ 跟初始 はじめ 位置 いち 與 あずか 終止 しゅうし 位置 いち 有 ゆう 關 せき ,與路 よろ 徑 みち 無關 むせき 。
計算 けいさん 電 でん 勢 いきおい 能 のう [ 编辑 ]
在 ざい 一 いち 個 こ 物理 ぶつり 系統 けいとう 內,計算 けいさん 一個點電荷所具有的電勢能的方法,就是計算 けいさん 將 はた 這點電荷 でんか Q從 したがえ 無窮 むきゅう 遠 とお 位置 いち 遷移 せんい 到 いた 其它固定 こてい 位置 いち 電荷 でんか 附近 ふきん 所 しょ 需要 じゅよう 做的機械 きかい 功 こう 。而計算 けいさん 只 ただ 需要 じゅよう 两个参 さん 数 すう :
其它電荷 でんか 所產 しょさん 生 せい 的 てき 電 でん 勢 ぜい 。
點 てん 電荷 でんか Q的 てき 電荷 でんか 量 りょう 。
注意 ちゅうい :这里的 てき 計算 けいさん 不 ふ 需要 じゅよう 知道 ともみち 其它電荷 でんか 的 てき 電荷 でんか 量 りょう ,也不需要 じゅよう 知道 ともみち 这一 いち 點 てん 電荷 でんか Q所產 しょさん 生 せい 的 てき 電 でん 勢 ぜい 。
儲 もうか 存 そん 於點電荷 でんか 系統 けいとう 內的電 でん 勢 いきおい 能 のう [ 编辑 ]
單 たん 點 てん 電荷 でんか 系統 けいとう [ 编辑 ]
只 ただ 擁 よう 有 ゆう 單獨 たんどく 一 いち 個 こ 點 てん 電荷 でんか 的 てき 物理 ぶつり 系統 けいとう ,其電勢 ぜい 能 のう 為 ため 零 れい ,因 いん 為 ため 沒 ぼつ 有 ゆう 任 にん 何 なん 其它可 か 以產生 せい 電場 でんじょう 的 てき 源 げん 電荷 でんか ,所以 ゆえん ,將 しょう 點 てん 電荷 でんか 從 したがえ 無窮 むきゅう 遠 とお 移動 いどう 至 いたり 其最終 さいしゅう 位置 いち ,外 そと 機 き 制 せい 不 ふ 需要 じゅよう 對 たい 它做任 にん 何 なん 機械 きかい 功 こう 。特別 とくべつ 注意 ちゅうい ,這點電荷 でんか 有 ゆう 可能 かのう 會 かい 與 あずか 自己 じこ 生成 せいせい 的 てき 電場 でんじょう 發生 はっせい 作用 さよう 。然 しか 而,由 ゆかり 於在點 てん 電荷 でんか 的 てき 位置 いち ,它自己 じこ 生成 せいせい 的 てき 電場 でんじょう 為 ため 無窮 むきゅう 大 だい ,所以 ゆえん ,在 ざい 計算 けいさん 系統 けいとう 的 てき 有限 ゆうげん 總 そう 電 でん 勢 いきおい 能 のう 之 の 時 とき ,一般刻意不將這「自身 じしん 能 のう 」納入 のうにゅう 考量 こうりょう 範圍 はんい 之 の 內,以簡化 か 物理 ぶつり 模型 もけい ,方便 ほうべん 計算 けいさん 。
雙 そう 點 てん 電荷 でんか 系統 けいとう [ 编辑 ]
一個質子受到的另一個質子的電場力和電勢能隨
r
{\displaystyle r}
變化 へんか 的 てき 示 しめせ 意圖 いと 。
思考 しこう 兩個 りゃんこ 點 てん 電荷 でんか 所 しょ 組成 そせい 的 てき 物理 ぶつり 系統 けいとう 。假設 かせつ 第 だい 一 いち 個 こ 點 てん 電荷 でんか
q
1
{\displaystyle q_{1}}
的 てき 位置 いち 為 ため 坐 すわ 標 しるべ 系 けい 的 てき 原點 げんてん
O
{\displaystyle \mathbf {O} }
,則 のり 根據 こんきょ 庫 くら 侖定律 ていりつ ,點 てん 電荷 でんか
q
1
{\displaystyle q_{1}}
施 ほどこせ 加 か 於位置 いち 為 ため
r
{\displaystyle \mathbf {r} }
的 てき 第 だい 二 に 個 こ 點 てん 電荷 でんか
q
2
{\displaystyle q_{2}}
的 てき 電場 でんじょう 力 りょく 為 ため
F
c
=
q
1
q
2
4
π ぱい
ϵ
0
r
^
r
2
{\displaystyle \mathbf {F} _{c}={\frac {q_{1}q_{2}}{4\pi \epsilon _{0}}}\ {\frac {\hat {\mathbf {r} }}{r^{2}}}}
;
其中,
ϵ
0
{\displaystyle \epsilon _{0}}
是 これ 電 でん 常數 じょうすう 。
在 ざい 移 うつり 动點電荷 でんか
q
2
{\displaystyle q_{2}}
時 とき ,為 ため 保 ほ 证匀速 そく ,外 そと 機 き 制 せい 必须施 ほどこせ 加 か 作用 さよう 力 りょく
−
F
c
{\displaystyle -\mathbf {F} _{c}}
於點電荷 でんか
q
2
{\displaystyle q_{2}}
,从而与电场力 りょく 达到二 に 力 りょく 平衡 へいこう 。所以 ゆえん ,機械 きかい 功 こう
W
{\displaystyle W}
為 ため
W
=
−
∫
L
F
c
⋅
d
ℓ
=
−
q
1
q
2
4
π ぱい
ϵ
0
∫
L
r
^
r
2
⋅
d
ℓ
{\displaystyle W=-\int _{\mathbb {L} }\mathbf {F} _{c}\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}=-\ {\frac {q_{1}q_{2}}{4\pi \epsilon _{0}}}\int _{\mathbb {L} }{\frac {\hat {\mathbf {r} }}{r^{2}}}\cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}}
。
由 よし 於庫侖力為 ため 保守 ほしゅ 力 りょく ,機械 きかい 功 こう 與 あずか 積分 せきぶん 路 ろ 徑 みち
L
{\displaystyle \mathbb {L} }
無關 むせき ,所以 ゆえん ,可 か 以選擇 せんたく 任意 にんい 一 いち 條 じょう 積分 せきぶん 路 ろ 徑 みち 。在 ざい 這裡,最 さい 簡單 かんたん 的 てき 路 ろ 徑 みち 為 ため 從 したがえ 無窮 むきゅう 遠 とお 位置 いち 朝 あさ 著 ちょ
−
r
^
{\displaystyle -{\hat {\mathbf {r} }}}
方向 ほうこう 遷移 せんい 至 いたり
r
{\displaystyle \mathbf {r} }
位置 いち 的 てき 直線 ちょくせん 路 ろ 徑 みち 。那 な 麼,機械 きかい 功 こう 為 ため
W
=
−
q
1
q
2
4
π ぱい
ϵ
0
∫
∞
r
d
r
r
2
=
q
1
q
2
4
π ぱい
ϵ
0
r
{\displaystyle W=-\ {\frac {q_{1}q_{2}}{4\pi \epsilon _{0}}}\int _{\infty }^{r}{\frac {\mathrm {d} r}{r^{2}}}={\frac {q_{1}q_{2}}{4\pi \epsilon _{0}r}}}
。
這機械功是 ぜ 無窮 むきゅう 遠 とお 位置 いち 與 あずか
r
{\displaystyle \mathbf {r} }
位置 いち 之 の 間 あいだ 的 てき 靜 せい 電 でん 能 のう 差別 さべつ :
W
=
U
(
r
)
−
U
(
∞
)
{\displaystyle W=U(\mathbf {r} )-U(\infty )}
。
設定 せってい
U
(
∞
)
=
0
{\displaystyle U(\infty )=0}
,則 のり
U
(
r
)
=
q
1
q
2
4
π ぱい
ϵ
0
r
{\displaystyle U(\mathbf {r} )={\frac {q_{1}q_{2}}{4\pi \epsilon _{0}r}}}
。
現在 げんざい ,假設 かせつ 兩個 りゃんこ 點 てん 電荷 でんか 的 てき 位置 いち 分別 ふんべつ 為 ため
r
1
{\displaystyle \mathbf {r} _{1}}
、
r
2
{\displaystyle \mathbf {r} _{2}}
,則 のり 電 でん 勢 いきおい 能 のう 為 ため
U
=
1
4
π ぱい
ϵ
0
q
1
q
2
|
r
2
−
r
1
|
=
1
4
π ぱい
ϵ
0
q
1
q
2
r
12
{\displaystyle U={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}\ {\frac {q_{1}q_{2}}{|\mathbf {r} _{2}-\mathbf {r} _{1}|}}={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}\ {\frac {q_{1}q_{2}}{r_{12}}}}
;
其中,
r
12
=
|
r
2
−
r
1
|
{\displaystyle r_{12}=|\mathbf {r} _{2}-\mathbf {r} _{1}|}
是 ぜ 兩個 りゃんこ 點 てん 電荷 でんか 之 の 間 あいだ 的 てき 距離 きょり 。
假設 かせつ 兩個 りゃんこ 點 てん 電荷 でんか 的 てき 正負 せいふ 性 せい 相 しょう 異 こと ,則 のり 電 でん 勢 いきおい 能 のう 為 ため 負 ふ 值,兩個 りゃんこ 點 てん 電荷 でんか 會 かい 互相吸引 きゅういん ;否 ひ 則 そく ,電 でん 勢 いきおい 能 のう 為 ため 正 せい 值,兩個 りゃんこ 點 てん 電荷 でんか 會 かい 互相排斥 はいせき 。
三 さん 個 こ 以上 いじょう 點 てん 電荷 でんか 的 てき 系統 けいとう [ 编辑 ]
對 たい 於三 さん 個 こ 點 てん 電荷 でんか 的 てき 系統 けいとう ,外 そと 機 き 制 せい 將 はた 其每一 いち 個 こ 單獨 たんどく 點 てん 電荷 でんか ,一 いち 個 こ 接 せっ 著 ちょ 一 いち 個 こ ,從 したがえ 無窮 むきゅう 遠 とお 位置 いち 遷移 せんい 至 いたり 最終 さいしゅう 位置 いち ,所 しょ 需要 じゅよう 做的機械 きかい 功 こう ,就是整 せい 個 こ 系統 けいとう 的 てき 靜 せい 勢 ぜい 能 のう 。以方程式 ほうていしき 表示 ひょうじ ,
U
=
1
4
π ぱい
ϵ
0
(
q
1
q
2
r
12
+
q
1
q
3
r
13
+
q
2
q
3
r
23
)
{\displaystyle U={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}\left({\frac {q_{1}q_{2}}{r_{12}}}+{\frac {q_{1}q_{3}}{r_{13}}}+{\frac {q_{2}q_{3}}{r_{23}}}\right)}
;
其中,
q
1
,
q
2
,
q
3
{\displaystyle q_{1},q_{2},q_{3}}
為 ため 點 てん 電荷 でんか ,
r
i
j
{\displaystyle r_{ij}}
為 ため 第 だい i個 こ 與 あずか 第 だい j個 こ 點 てん 電荷 でんか 之 の 間 あいだ 的 てき 距離 きょり 。
按照這方法 ほう 演算 えんざん ,對 たい 於多個 こ 點 てん 電荷 でんか 的 てき 系統 けいとう ,按照順序 じゅんじょ ,從 したがえ 第 だい 一個點電荷到最後一個點電荷,各自 かくじ 移 うつり 动到最後 さいご 對應 たいおう 位置 いち 。在 ざい 第 だい
i
{\displaystyle i}
個 こ 點 てん 電荷 でんか
q
i
{\displaystyle q_{i}}
遷移 せんい 時 じ ,只 ただ 會 かい 感 かん 受到從 したがえ 第 だい
1
{\displaystyle 1}
個 こ 點 てん 電荷 でんか 到 いた 第 だい
i
−
1
{\displaystyle i-1}
個 こ 點 てん 電荷 でんか 的 てき 電場 でんじょう 力 りょく ,而機械功
W
i
{\displaystyle W_{i}}
是 ぜ 因 いん 為 ため 抗拒 こうきょ 這些電場 でんじょう 力 りょく 而做出 で 的 てき 貢獻 こうけん :
W
i
=
1
4
π ぱい
ϵ
0
∑
j
=
1
i
−
1
q
i
q
j
r
i
j
{\displaystyle W_{i}={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}\sum _{j=1}^{i-1}{\frac {q_{i}q_{j}}{r_{ij}}}}
。
所有 しょゆう 點 てん 電荷 でんか 做出的 てき 總 そう 機械 きかい 功 こう (即 そく 總 そう 電 でん 勢 いきおい 能 のう )為 ため [2]
U
=
W
=
∑
i
=
1
n
W
i
=
1
4
π ぱい
ϵ
0
∑
i
=
1
n
∑
j
=
1
i
−
1
q
i
q
j
r
i
j
{\displaystyle U=W=\sum _{i=1}^{n}W_{i}={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}\sum _{i=1}^{n}\sum _{j=1}^{i-1}{\frac {q_{i}q_{j}}{r_{ij}}}}
。
將 はた 每 まい 一個項目重覆多計算一次,然 しか 後 ご 將 はた 總和 そうわ 除 じょ 以
2
{\displaystyle 2}
,這公式 しき 也可以表達 たち 為 ため ,
U
=
1
8
π ぱい
ϵ
0
∑
i
=
1
n
∑
j
=
1
,
j
≠
i
n
q
i
q
j
r
i
j
{\displaystyle U={\frac {1}{8\pi \epsilon _{0}}}\sum _{i=1}^{n}\sum _{j=1,j\neq i}^{n}{\frac {q_{i}q_{j}}{r_{ij}}}}
。
這樣,可 か 以忽略 りゃく 點 てん 電荷 でんか 的 てき 遷移 せんい 順序 じゅんじょ 。
注意 ちゅうい 到 いた 除 じょ 了 りょう 點 てん 電荷 でんか
q
i
{\displaystyle q_{i}}
以外 いがい ,所有 しょゆう 其它點 てん 電荷 でんか 產 さん 生 せい 的 てき 電 でん 勢 いきおい 在 ざい 位置 いち
r
i
{\displaystyle \mathbf {r} _{i}}
為 ため
ϕ
(
r
i
)
=
1
4
π ぱい
ϵ
0
∑
j
=
1
,
j
≠
i
n
q
j
r
i
j
{\displaystyle \phi (\mathbf {r} _{i})={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}\sum _{j=1,j\neq i}^{n}{\frac {q_{j}}{r_{ij}}}}
。
所以 ゆえん ,離散 りさん 點 てん 電荷 でんか 系統 けいとう 的 てき 總 そう 電 でん 勢 いきおい 能 のう 為 ため
U
=
1
2
∑
i
=
1
n
q
i
ϕ
(
r
i
)
{\displaystyle U={\frac {1}{2}}\sum _{i=1}^{n}q_{i}\phi (\mathbf {r} _{i})}
。
上述 じょうじゅつ 方程式 ほうていしき 假設 かせつ 電 でん 介 かい 質 しつ 是 ぜ 自由 じゆう 空間 くうかん ,其電 でん 容 よう 率 りつ 為 ため
ϵ
0
{\displaystyle \epsilon _{0}}
,即 そく 電 でん 常數 じょうすう 。假設 かせつ 電 でん 介 かい 質 しつ 不 ふ 是 ぜ 自由 じゆう 空間 くうかん ,而是電 でん 容 よう 率 りつ 為 ため
ϵ
{\displaystyle \epsilon }
的 てき 某 ぼう 種 しゅ 電 でん 介 かい 質 しつ ,則 のり 必需 ひつじゅ 將 はた 方程式 ほうていしき 內的
ϵ
0
{\displaystyle \epsilon _{0}}
更 さら 換 かわ 為 ため
ϵ
{\displaystyle \epsilon }
。
儲 もうか 存 そん 於連續 れんぞく 電荷 でんか 分 ぶん 佈的能 のう 量 りょう [ 编辑 ]
對 たい 於連續 れんぞく 電荷 でんか 分 ぶん 佈,前面 ぜんめん 的 てき 電 でん 勢 いきおい 能 のう 方程式 ほうていしき 變 へん 為 ため [2]
U
=
1
2
∫
V
ρ ろー
(
r
)
ϕ
(
r
)
d
3
r
{\displaystyle U={\frac {1}{2}}\int _{\mathbb {V} }\rho (\mathbf {r} )\phi (\mathbf {r} )\ \mathrm {d} ^{3}r}
;
其中,
ρ ろー
(
r
)
{\displaystyle \rho (\mathbf {r} )}
是 ぜ 在 ざい 源 みなもと 位置 いち
r
{\displaystyle \mathbf {r} }
的 てき 電荷 でんか 密度 みつど ,
V
{\displaystyle \mathbb {V} }
是 ぜ 積分 せきぶん 體積 たいせき 。
應用 おうよう 高 こう 斯定律 ていりつ
∇
⋅
E
=
ρ ろー
ϵ
0
{\displaystyle \mathbf {\nabla } \cdot \mathbf {E} ={\frac {\rho }{\epsilon _{0}}}}
;
其中,
E
{\displaystyle \mathbf {E} }
是 ぜ 電場 でんじょう 。
電 でん 勢 いきおい 能 のう 為 ため
U
=
ϵ
0
2
∫
V
[
∇
⋅
E
(
r
)
]
ϕ
(
r
)
d
3
r
=
ϵ
0
2
∫
V
∇
⋅
[
E
(
r
)
ϕ
(
r
)
]
−
E
(
r
)
⋅
∇
ϕ
(
r
)
d
3
r
{\displaystyle {\begin{aligned}U&={\frac {\epsilon _{0}}{2}}\int _{\mathbb {V} }[\mathbf {\nabla } \cdot \mathbf {E} (\mathbf {r} )]\phi (\mathbf {r} )\ \mathrm {d} ^{3}r\\&={\frac {\epsilon _{0}}{2}}\int _{\mathbb {V} }\mathbf {\nabla } \cdot [\mathbf {E} (\mathbf {r} )\phi (\mathbf {r} )]-\mathbf {E} (\mathbf {r} )\cdot \mathbf {\nabla } \phi (\mathbf {r} )\ \mathrm {d} ^{3}r\\\end{aligned}}}
。
應用 おうよう 散 ち 度 たび 定理 ていり ,可 か 以得到 いた
U
=
ϵ
0
2
∮
S
[
E
(
r
)
ϕ
(
r
)
]
⋅
d
2
r
−
ϵ
0
2
∫
V
E
(
r
)
⋅
∇
ϕ
(
r
)
d
3
r
{\displaystyle U={\frac {\epsilon _{0}}{2}}\oint _{\mathbb {S} }[\mathbf {E} (\mathbf {r} )\phi (\mathbf {r} )]\cdot \mathrm {d} ^{2}r-{\frac {\epsilon _{0}}{2}}\int _{\mathbb {V} }\mathbf {E} (\mathbf {r} )\cdot \mathbf {\nabla } \phi (\mathbf {r} )\ \mathrm {d} ^{3}r}
;
其中,
S
{\displaystyle \mathbb {S} }
是 ぜ 包 つつみ 住 じゅう 積分 せきぶん 體積 たいせき
V
{\displaystyle \mathbb {V} }
的 てき 閉曲面 めん 。
當 とう 積分 せきぶん 體積 たいせき
V
{\displaystyle \mathbb {V} }
趨向 すうこう 於無限 げん 大時 おおとき ,閉曲面 めん
S
{\displaystyle \mathbb {S} }
的 てき 面積 めんせき 趨向 すうこう 於以變 へん 率 りつ
r
2
{\displaystyle r^{2}}
遞增 ていぞう ,而電場 じょう 、電 でん 勢 ぜい 分別 ふんべつ 趨向 すうこう 於以變 へん 率 りつ
1
/
r
2
{\displaystyle 1/r^{2}}
、
1
/
r
{\displaystyle 1/r}
遞減 ていげん ,所以 ゆえん ,上述 じょうじゅつ 方程式 ほうていしき 左手 ひだりて 邊 べ 第 だい 一個面積分項目趨向於零,電 でん 勢 いきおい 能 のう 變 へん 為 ため
U
=
−
ϵ
0
2
∫
A
L
L
S
P
A
C
E
E
(
r
)
⋅
∇
ϕ
(
r
)
d
3
r
{\displaystyle U=-{\frac {\epsilon _{0}}{2}}\int _{\mathbb {ALL\ SPACE} }\mathbf {E} (\mathbf {r} )\cdot \mathbf {\nabla } \phi (\mathbf {r} )\mathrm {d} ^{3}r}
。
電場 でんじょう 與 あずか 電 でん 勢 ぜい 的 てき 微分 びぶん 關係 かんけい 為 ため
E
=
−
∇
ϕ
{\displaystyle \mathbf {E} =-\nabla \phi }
。
將 はた 這方程式 ほうていしき 代入 だいにゅう ,電 でん 勢 いきおい 能 のう 變 へん 為 ため
U
=
ϵ
0
2
∫
A
L
L
S
P
A
C
E
[
E
(
r
)
]
2
d
3
r
{\displaystyle U={\frac {\epsilon _{0}}{2}}\int _{\mathbb {ALL\ SPACE} }[E(\mathbf {r} )]^{2}\mathrm {d} ^{3}r}
。
所以 ゆえん ,電 でん 勢 いきおい 能 のう 密度 みつど
u
{\displaystyle u}
為 ため
u
(
r
)
=
ϵ
0
2
[
E
(
r
)
]
2
{\displaystyle u(\mathbf {r} )={\frac {\epsilon _{0}}{2}}[E(\mathbf {r} )]^{2}}
。
自身 じしん 能 のう 與 あずか 交互 こうご 作用 さよう 能 のう [ 编辑 ]
前面 ぜんめん 分別 ふんべつ 推導出 どうしゅつ 兩個 りゃんこ 電 でん 勢 いきおい 能 のう 方程式 ほうていしき :
U
=
1
8
π ぱい
ϵ
0
∑
i
=
1
n
∑
j
=
1
,
j
≠
i
n
q
i
q
j
r
i
j
{\displaystyle U={\frac {1}{8\pi \epsilon _{0}}}\sum _{i=1}^{n}\sum _{j=1,j\neq i}^{n}{\frac {q_{i}q_{j}}{r_{ij}}}}
。
U
=
ϵ
0
2
∫
A
L
L
S
P
A
C
E
[
E
(
r
)
]
2
d
3
r
{\displaystyle U={\frac {\epsilon _{0}}{2}}\int _{\mathbb {ALL\ SPACE} }[E(\mathbf {r} )]^{2}\mathrm {d} ^{3}r}
。
注意 ちゅうい 到 いた 第 だい 一個方程式計算得到的電勢能,可 か 以是正 ぜせい 值,也可以是負 ふ 值;但 ただし 從 したがえ 第 だい 一個方程式推導出來的第二個方程式,其計算 けいさん 得 え 到 いた 的 てき 電 でん 勢 いきおい 能 のう 則 そく 必定 ひつじょう 是正 ぜせい 值。為 ため 甚麼 いんも 會 かい 發生 はっせい 這不一致 いっち 問題 もんだい ?原因 げんいん 是 ぜ 第 だい 一個方程式只囊括了電荷與電荷之間的交互作用能;而第二個方程式在推導過程中,無 む 可 か 避免地 ち 將 はた 電荷 でんか 的 てき 自身 じしん 能 のう 也包括 ほうかつ 在 ざい 內。在 ざい 推導第 だい 一 いち 個 こ 方程式 ほうていしき 時 じ ,在 ざい 位置 いち
r
i
{\displaystyle \mathbf {r} _{i}}
的 まと 電 でん 勢 いきおい 乃是,除 じょ 了 りょう
q
i
{\displaystyle q_{i}}
以外 いがい ,所有 しょゆう 其它電荷 でんか 共同 きょうどう 貢獻 こうけん 出 で 的 てき 電 でん 勢 ぜい ;而在推導第 だい 二 に 個 こ 方程式 ほうていしき 時 じ ,電 でん 勢 いきおい 乃是所有 しょゆう 電荷 でんか 共同 きょうどう 貢獻 こうけん 出 で 的 てき 電 でん 勢 ぜい 。
舉一個雙點電荷案例,假設 かせつ 電荷 でんか
q
1
{\displaystyle q_{1}}
、
q
2
{\displaystyle q_{2}}
的 てき 位置 いち 分別 ふんべつ 為 ため
r
1
{\displaystyle \mathbf {r} _{1}}
、
r
2
{\displaystyle \mathbf {r} _{2}}
,則 のり 在 ざい 任意 にんい 位置 いち
r
{\displaystyle \mathbf {r} }
的 てき 電場 でんじょう 為 ため [2]
E
=
E
1
+
E
2
=
q
1
4
π ぱい
ϵ
0
r
−
r
1
|
r
−
r
1
|
3
+
q
2
4
π ぱい
ϵ
0
r
−
r
2
|
r
−
r
2
|
3
{\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {E} _{1}+\mathbf {E} _{2}={\frac {q_{1}}{4\pi \epsilon _{0}}}\ {\frac {\mathbf {r} -\mathbf {r} _{1}}{|\mathbf {r} -\mathbf {r} _{1}|^{3}}}+{\frac {q_{2}}{4\pi \epsilon _{0}}}\ {\frac {\mathbf {r} -\mathbf {r} _{2}}{|\mathbf {r} -\mathbf {r} _{2}|^{3}}}}
,
其電勢 ぜい 能 のう 密度 みつど 為 ため
u
=
ϵ
0
2
E
2
=
ϵ
0
2
(
E
1
2
+
E
2
2
+
2
E
1
⋅
E
2
)
{\displaystyle u={\frac {\epsilon _{0}}{2}}E^{2}={\frac {\epsilon _{0}}{2}}(E_{1}\,^{2}+E_{2}\,^{2}+2\mathbf {E} _{1}\cdot \mathbf {E} _{2})}
。
很明顯 あらわ 地 ち ,這方程式 ほうていしき 右手 みぎて 邊 べ 的 てき 前 ぜん 兩個 りゃんこ 項目 こうもく 分別 ふんべつ 為 ため 電荷 でんか
q
1
{\displaystyle q_{1}}
、
q
2
{\displaystyle q_{2}}
的 てき 自身 じしん 能 のう 密度 みつど
ϵ
0
E
1
2
/
2
{\displaystyle \epsilon _{0}E_{1}\,^{2}/2}
、
ϵ
0
E
2
2
/
2
{\displaystyle \epsilon _{0}E_{2}\,^{2}/2}
。最後 さいご 一個項目是否為交互作用能密度?為 ため 了 りょう 回答 かいとう 這有意思 いし 的 てき 問題 もんだい ,繼續 けいぞく 計算 けいさん 交互 こうご 作用 さよう 能 のう 密度 みつど 的 てき 體積 たいせき 積分 せきぶん :
U
i
n
t
=
∫
V
u
i
n
t
d
3
r
=
ϵ
0
∫
V
E
1
⋅
E
2
d
3
r
=
q
1
q
2
16
π ぱい
2
ϵ
0
∫
V
r
−
r
1
|
r
−
r
1
|
3
⋅
r
−
r
2
|
r
−
r
2
|
3
d
3
r
{\displaystyle U_{int}=\int _{\mathbb {V} }u_{int}\ \mathrm {d} ^{3}r=\epsilon _{0}\int _{\mathbb {V} }\mathbf {E} _{1}\cdot \mathbf {E} _{2}\ \mathrm {d} ^{3}r={\frac {q_{1}q_{2}}{16\pi ^{2}\epsilon _{0}}}\int _{\mathbb {V} }{\frac {\mathbf {r} -\mathbf {r} _{1}}{|\mathbf {r} -\mathbf {r} _{1}|^{3}}}\ \cdot \ {\frac {\mathbf {r} -\mathbf {r} _{2}}{|\mathbf {r} -\mathbf {r} _{2}|^{3}}}\ \mathrm {d} ^{3}r}
。
應用 おうよう 一 いち 條 じょう 向 むかい 量 りょう 恆等 こうとう 式 しき ,
∇
(
1
|
r
−
r
′
|
)
=
−
(
r
−
r
′
)
|
r
−
r
′
|
3
{\displaystyle \nabla \left({\frac {1}{|\mathbf {r} -\mathbf {r} '|}}\right)=-\ {\frac {(\mathbf {r} -\mathbf {r} ')}{|\mathbf {r} -\mathbf {r} '|^{3}}}}
,
可 か 以得到 いた
U
i
n
t
=
q
1
q
2
16
π ぱい
2
ϵ
0
∫
V
∇
(
1
|
r
−
r
1
|
)
⋅
∇
(
1
|
r
−
r
2
|
)
d
3
r
=
q
1
q
2
16
π ぱい
2
ϵ
0
∫
V
∇
⋅
[
1
|
r
−
r
1
|
∇
(
1
|
r
−
r
2
|
)
]
−
(
1
|
r
−
r
1
|
)
∇
2
(
1
|
r
−
r
2
|
)
d
3
r
{\displaystyle {\begin{aligned}U_{int}&={\frac {q_{1}q_{2}}{16\pi ^{2}\epsilon _{0}}}\int _{\mathbb {V} }\nabla \left({\frac {1}{|\mathbf {r} -\mathbf {r} _{1}|}}\right)\ \cdot \ \nabla \left({\frac {1}{|\mathbf {r} -\mathbf {r} _{2}|}}\right)\mathrm {d} ^{3}r\\&={\frac {q_{1}q_{2}}{16\pi ^{2}\epsilon _{0}}}\int _{\mathbb {V} }\nabla \ \cdot \ \left[{\frac {1}{|\mathbf {r} -\mathbf {r} _{1}|}}\nabla \left({\frac {1}{|\mathbf {r} -\mathbf {r} _{2}|}}\right)\right]-\ \left({\frac {1}{|\mathbf {r} -\mathbf {r} _{1}|}}\right)\nabla ^{2}\left({\frac {1}{|\mathbf {r} -\mathbf {r} _{2}|}}\right)\mathrm {d} ^{3}r\\\end{aligned}}}
。
應用 おうよう 散 ち 度 たび 定理 ていり ,可 か 以將這方程式 ほうていしき 右手 みぎて 邊 べ 第 だい 一 いち 個 こ 項目 こうもく ,從 したがえ 體積 たいせき 積分 せきぶん 變 へん 為 ため 面積 めんせき 積分 せきぶん :
∫
V
∇
⋅
[
1
|
r
−
r
1
|
∇
(
1
|
r
−
r
2
|
)
]
d
3
r
=
∮
S
[
1
|
r
−
r
1
|
∇
(
1
|
r
−
r
2
|
)
]
⋅
d
2
r
{\displaystyle \int _{\mathbb {V} }\nabla \ \cdot \ \left[{\frac {1}{|\mathbf {r} -\mathbf {r} _{1}|}}\nabla \left({\frac {1}{|\mathbf {r} -\mathbf {r} _{2}|}}\right)\right]\mathrm {d} ^{3}r=\oint _{\mathbb {S} }\left[{\frac {1}{|\mathbf {r} -\mathbf {r} _{1}|}}\nabla \left({\frac {1}{|\mathbf {r} -\mathbf {r} _{2}|}}\right)\right]\cdot \mathrm {d} ^{2}r}
;
其中,
S
{\displaystyle \mathbb {S} }
是 ぜ 包 つつみ 住 じゅう 積分 せきぶん 體積 たいせき
V
{\displaystyle \mathbb {V} }
的 てき 閉曲面 めん 。
假設 かせつ
V
{\displaystyle \mathbb {V} }
趨向 すうこう 於無窮 きゅう 大空 おおぞら 間 あいだ ,則 のり 這面積 めんせき 積分 せきぶん 趨向 すうこう 於零。再 さい 應用 おうよう 一 いち 則 のり 關 せき 於狄拉克 かつ δ でるた 函數 かんすう 的 てき 向 むかい 量 りょう 恆等 こうとう 式 しき
∇
2
(
1
|
r
−
r
′
|
)
=
−
4
π ぱい
δ でるた
(
r
−
r
′
)
{\displaystyle \nabla ^{2}\left({\frac {1}{|\mathbf {r} -\mathbf {r} '|}}\right)=-4\pi \delta (\mathbf {r} -\mathbf {r} ')}
,
可 か 以得到 いた
U
i
n
t
=
q
1
q
2
4
π ぱい
ϵ
0
∫
A
L
L
S
P
A
C
E
δ でるた
(
r
−
r
2
)
|
r
−
r
1
|
d
3
r
=
1
4
π ぱい
ϵ
0
q
1
q
2
|
r
1
−
r
2
|
{\displaystyle U_{int}={\frac {q_{1}q_{2}}{4\pi \epsilon _{0}}}\int _{\mathbb {ALL\ SPACE} }{\frac {\delta (\mathbf {r} -\mathbf {r} _{2})}{|\mathbf {r} -\mathbf {r} _{1}|}}\ \mathrm {d} ^{3}r={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}\ {\frac {q_{1}q_{2}}{|\mathbf {r} _{1}-\mathbf {r} _{2}|}}}
。
這就是 ぜ 双 そう 点 てん 电荷系 けい 统的電 でん 勢 いきおい 能 のう 。
參考 さんこう 文獻 ぶんけん [ 编辑 ]