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2008年6月11日 星期三

靜電學之內容

  由前文討論知,靜電學之理論基礎為:V-E(V-r)=k∫ρ(V-r’)V-G(V-r,V-r’)dV’與V-F=qV-E;或▽.V-E= 4πkρ與▽×V-E=0,V-E可線性疊加與V-F=qV-E;或▽^2V=-4πkρ與V-F=-q▽V,等以上三種等價表示。即靜電學的核心為解出靜電場V-E或靜電位V。
  形式知道後,剩下的就看具體內容來解靜電場或靜電位。最直接的就是求靜電場的積分,但可以積分的情況,通常都是簡單且理想的例子。如果考慮的系統有高度的對稱性,則可利用:∮V-E.dV-S=4πkQ(Gauss定律積分形式),其中積分∮()dV-S為對選取的Gauss封閉曲面作積分,Q為曲面內的總電荷,可較容易的求出系統的電場。
  由V-E=-▽V,可定義V=-[∫∞→V-r] V-E.dV-r’,故知V-E可求出靜電勢V。一般有ΔV=-[∫-→+] V-E.dV-r>0,電荷由高電位到低電位的方向運動,此也是等式V-E=-▽V加入一個負號的原因。常稱ΔV為電位差或電壓。在處理電容系統時會用到。
  因為靜電勢是純量函數,比向量函數電場更方便與容易處理,所以只要可以求V,則可由V-E=-▽V來求出靜電場。由Poisson方程:▽^2V=- 4πkρ,解形式V(V-r)=k∫ρ(V-r’)/|V-r-V-r’|dV’。所以可直接求積分解V,或解Poisson方程,並藉由唯一性定理來保證解的存在與唯一。有時視情況,可以用鏡像法來猜出解的形式,但解的形式其實不容易猜出。如果考慮的區域遠離電荷分部區域的話,可利用電多極展開將積分化成電荷、電偶極、電四極與電八極等的來近似描述。
  除上述內容外,加上介質交介面的邊界情況與靜電能,即是一般靜電學中所討論的內容,此是屬於真空情況的理論,之後才會介紹一般介質中的靜電學理論。

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