电通量

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在电磁学中,电通量(英语:Electric flux,符号 :Φ)是通过给定面积的电场的度量[1],为一标量。 电通量可以用来描述电荷所造成的电场强度与距离远近的关系。

电场可以对空间中的任何一个点电荷施力。电场的强弱与电压的梯度成正比。

目录 1 概述 2 应用 3 参见 4 注脚 5 参考资料 6 外部链接 概述 电荷(比如空间中的单颗电子)的周围充斥着电场。若以图形表示,该电场可以被表示为从一个点(电荷)散开的辐射线,称为电场线或电力线[2]。而这些线的密度与电场强度呈正相关,称为电通量密度,也就是每单位面积的电力线数目。因此,电通量与穿过表面的电场线的总数成正比。为了简化计算,通常在计算上会选取垂直于电力线的表面。

如果电场为一均匀电场,则通过所选面积 � \mathbf {S} 的表面的通量为

Φ �

� ⋅ �

� � cos ⁡ � , {\displaystyle \Phi _{E}=\mathbf {E} \cdot \mathbf {S} =ES\cos \theta ,} 其中 � \mathbf {E} 为电场(单位为 V/m )、 � E 为电场强度、 � S 为表面面积、 �\theta 为电场线与 � S 的法线之间的夹角。

如果电场为一非均匀电场,则通常会将此一较大面积的电通量分割,改取一小块面积 � � d{\mathbf {S}} 上的电通量 � Φ � {\displaystyle d\Phi _{E}}

� Φ �

� ⋅ � � {\displaystyle d\Phi _{E}=\mathbf {E} \cdot d\mathbf {S} } (电场 � \mathbf {E} 乘以垂直于所选面积表面的分量)。

因此,表面 � S 上的电通量可由表面积分得到:

Φ �

∬ � � ⋅ � � {\displaystyle \Phi _{E}=\iint _{S}\mathbf {E} \cdot d\mathbf {S} } 其中 � \mathbf {E} 是电场

� � d{\mathbf {S}} 是闭合表面 � S 上的微小面积,其方向定义为表面法线朝外。

根据高斯定律,通过任一封闭曲面(高斯面)的净电通量( Φ � \Phi_E),必与该封闭曲面内所围之净电荷量( � n e c {\displaystyle Q_{\rm {nec}}})成正比。 而在真空中,此比例常数为一定值 1 / � 0 {\displaystyle 1/\varepsilon _{0}}。其数学式为 :

Φ �

{\displaystyle \Phi _{E}=,!} ∯ {\displaystyle \oiint }\oiint � \scriptstyle S � ⋅ � �

� n e c � 0 {\displaystyle \mathbf {E} \cdot d\mathbf {S} ={\frac {Q_{\rm {nec}}}{\varepsilon {0}}},!} 其中 � \mathbf {E} 是电场、 � S 是任一封闭曲面、 � n e c {\displaystyle Q{\rm {nec}}} 是曲面 � S 内的总净电荷。

� 0 \varepsilon _{0}是电常数 (为一通用常数,也称为真空中电容率或真空介电常数 )

� 0 ≈ 8.854187817... × 10 − 12 {\displaystyle \varepsilon _{0}\approx 8.854187817...\times 10^{-12}} (F · m-1)

此一关系式以其积分形式被称为电场高斯定律,是四个麦克斯韦方程之一。

电通量的单位为伏特米(V·m),或者牛顿米平方/库伦(N · m2 · C-1)。 因此,电通量的国际标准基本单位为 kg · m3·s-3 · A-1。

应用 尽管电通量不受高斯面之外的电荷所影响,但高斯定律方程中的净电场 � \mathbf {E} 可能会被位于高斯面之外的电荷影响。因此,即使高斯定律适用于所有情况,但当电场分布具有高度对称性(例如球形或圆柱形对称)时,可以自行选择一适当之高斯面,使得电场不是垂直就是水平于高斯面,且在此高斯面上的电场为均匀电场,以方便进行手动运算。

参见 icon 物理学主题 磁通量 麦克斯韦方程组 电场 磁场 电磁场 注脚 Purcell, Edward, Morin, David; Electricity and Magnetism, 3rd Edition; Cambridge University Press, New York. 2013 ISBN 9781107014022. Browne, Michael, PhD; Physics for Engineering and Science, 2nd Edition; McGraw Hill/Schaum, New York; 2010. ISBN 0071613994