电磁学中,电通量(英语:Electric flux,符号 :Φ)是通过给定面积的电场度量[1],为一纯量。 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。

概述

电荷(比如空间中的单颗电子)的周围充斥著电场。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   的表面的通量为

 

其中  电场(单位为 V/m )、   为电场强度、   为表面面积、   为电场线与   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   上的电通量  

 

(电场   乘以垂直于所选面积表面的分量)。

因此,表面   上的电通量可由表面积分得到:

 

其中   是电场

  是闭合表面   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( ),必与该封闭曲面内所围之净电荷量( )成正比。 而在真空中,此比例常数为一定值 。其数学式为 :

     

其中   是电场、   是任一封闭曲面、   是曲面   内的总净电荷。

 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 )

  (F · m-1)

此一关系式以其积分形式被称为电场高斯定律,是四个马克士威方程式之一。

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   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

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

参考资料

  1. ^ Purcell, p22-26
  2. ^ Purcell, p5-6.

外部链接