給定電勢導(dǎo)體球與極板體系的電勢與電場

黃 爽，郭 偉，吳 娟，高 欣

(貴州大學(xué)物理學(xué)院，貴陽 550025)

?

給定電勢導(dǎo)體球與極板體系的電勢與電場

黃 爽，郭 偉，吳 娟，高 欣

(貴州大學(xué)物理學(xué)院，貴陽 550025)

用多重鏡像法研究了在外加電場中給定電勢的導(dǎo)體球和極板體系的電場分布、電勢問題。給出了計算鏡像電荷和偶極矩的理論推導(dǎo)和計算方法，通過得到的鏡像分布，計算并討論了空間電場分布，得到了球上電勢與一階鏡像電量的關(guān)系，指出對于該體系，不能通過球的電勢直接確定電量，而是應(yīng)先用鏡像法確定電勢和電量的關(guān)系，再根據(jù)給定的電勢確定電量，而后再應(yīng)用鏡像法計算和分析電荷、電場和電勢分布。

導(dǎo)體球；鏡像法；電勢；電偶極矩；電場

球體在電場中的極化或靜電感應(yīng)，是很多研究領(lǐng)域的基本問題。導(dǎo)體球在外電場中發(fā)生靜電感應(yīng)，會導(dǎo)致電荷分布和空間電場發(fā)生改變，尤其是當導(dǎo)體球本身帶電的時候，情況會變得更為復(fù)雜。球體在均勻電場中，電場分布有嚴格的解析解[1-2]。但當導(dǎo)體球接近極板時，極板上的電荷分布會受到導(dǎo)體球上電荷的影響。計算了導(dǎo)體球接近極板時的情況，對于給定電勢的導(dǎo)體球，導(dǎo)體球上會帶有電荷，應(yīng)用球上所帶的電荷量來確定球上的電勢。實際上，當導(dǎo)體球接近極板的時候，球與極板之間的電場不再是簡單的均勻電場和球的感應(yīng)電場的疊加，因為極板上的電荷分布也發(fā)生了變化。此外，球與極板之間的電場，還取決于極板的電勢。

從電動力學(xué)理論發(fā)展起來的鏡像法被廣泛采用來處理有對稱性的導(dǎo)體球體系[3-5]，最早由Thomoson提出[6]。因為其物理圖像清晰、計算精度高、計算速度快等優(yōu)點，被普遍采用。很多研究者采用鏡像法處理在外電場中兩個接近的導(dǎo)體球的靜電感應(yīng)、電荷、電場分布及相互作用等問題[7-13]。對于給定電勢導(dǎo)體球的研究工作較少。Bosch等人[14]指出，當球的電勢給定為UB時，其帶的電量可以用

(1)

來確定，再根據(jù)這個確定好的電量，用鏡像法去求解電場分布。高欣等人[15]發(fā)展了多重鏡像法，可以計算等電勢導(dǎo)體球體系的電場分布，但并未涉及給定電勢。

本文中，我們將基于多重鏡象法，分析給定電勢導(dǎo)體球靠近極板時，極板和球上的電荷分布，以及球和極板間的電場分布，澄清給定電勢的導(dǎo)體球上電量對電勢的依賴關(guān)系。

1 理論計算

考慮如圖1所示的體系，極板A和C之間為均勻電場，電場強度由兩個極板的電勢確定。半徑為R的導(dǎo)體球置于靠近極板A的位置，球面距極板距離為L，電勢由外接電源給定。在這種情況下，無論極板電勢還是電場強度改變，球上電勢始終恒定。假設(shè)球上電量為q1，當不考慮外加電場時，由電勢的唯一性原理可知，電荷均勻分布在球面，球外電場可看成球心位置處電量為q1的點電荷產(chǎn)生的電場。當導(dǎo)體球不帶電時，在外加均勻電場中導(dǎo)體球發(fā)生靜電感應(yīng)，球外電場可以等效為位于球心的電偶極矩PB,1=4πε0R3E0，所產(chǎn)生的電場與均勻電場的疊加。

圖1 均勻電場給定電勢的導(dǎo)體球Fig.1 Conducting sphere in the given potential of uniform electric field

當球離極板較遠時，球?qū)O板上電荷分布的影響可以忽略。當球靠近極板時，球上的電荷又會影響極板上的電荷分布。這里只考慮較簡單的情況，球靠近極板A，離極板C非常遠，因此球上電荷分布對極板C的影響不需考慮，而僅考慮球?qū)O板A的影響，如圖2所示。假設(shè)均勻電場E0=105V/m，方向沿水平方向向右，極板A的電勢為UA，導(dǎo)體球的半徑R=3.15×10-3m，球面到極板A的最近距離L=2.5×10-2m，導(dǎo)體球的電勢由接地電動勢提供，恒定為UB。

根據(jù)無限大導(dǎo)體平面的鏡象法理論[16]，點電荷q1在極板中的鏡像電荷為到極板等距的異號電荷，相應(yīng)的電偶極矩鏡像為極板左側(cè)相同距離處方向、大小都相同的電偶極矩。極板中鏡像電荷又會在球內(nèi)產(chǎn)生第二階鏡像[15]：

(2)

(3)

(4)

其中，d=L+R，是球心到極板的距離，rA,2是鏡像電荷和偶極矩到球心的距離。電偶極矩在導(dǎo)體球內(nèi)的鏡像包括處于同一位置的一個電偶極矩和一個鏡像電荷，式(3)中第二項為電偶極矩在球內(nèi)產(chǎn)生的鏡像電荷。同樣，球內(nèi)的二階鏡像電荷和偶極矩又會在極板產(chǎn)生二階鏡像，依次類推，可以得到各階鏡像電荷和偶極矩的通式。球內(nèi)的第i階鏡像為：

(5)

(6)

(7)

其中，rB,i表示第i階鏡像到球心的距離。極板內(nèi)的第階鏡像：

PA,i=PB,i

(8)

qA,i=-qB,i

(9)

rA,i=rB,i

(10)

其中，rA,i表示極板內(nèi)第i階鏡像距離極板內(nèi)第一階鏡像的距離。

圖2 鏡像電荷分布Fig.2 Image charge distribution

(11)

(12)

可求出導(dǎo)體球B上的電勢。

2 計算結(jié)果及討論

給定導(dǎo)體球上最初帶有的不同電量，根據(jù)式(11)計算得到的極板與球之間軸線上的電場分布如圖3所示。從圖3 中可以看出，不管球上是否帶電，以及帶有何種電荷，靠近導(dǎo)體球位置電場強度都會增強。當球上帶有負電荷時，電量越大，靠近球邊緣電場強度越高。當電量足夠大的時候，極板與球之間的電場都會有明顯的增加。當電量減小為零，靠近球的位置電場方向依然為正，且有顯著增強。電荷為正時，如果電量較小，球邊緣電場強度并沒有改變方向，而且依然有明顯的增強。當正電荷的電量較大時，靠近球的電場強度會有電場方向的改變，也就是說，極板與球之間，電場強度先是接近沒有球存在時的均勻正向電場的強度，離球越近，電場緩慢下降，直到為零，之后越靠近球，電場強度又迅速增加，且為反向電場。

圖3 導(dǎo)體球帶不同電荷量時，極板與導(dǎo)體球間的電場分布Fig.3 The distribution of electric field between the plate and the conducting sphere when the charge volume of the conducting sphere is different

球上初始電量不同時，可以根據(jù)式(12)計算極板與導(dǎo)體球間相應(yīng)的電勢差，如圖4所示。從圖中可以看出，電勢差與電量滿足線性關(guān)系。對計算結(jié)果進行擬合，得到導(dǎo)體球電勢跟電量的函數(shù)關(guān)系：

UB=2.534×1012×q1-2 814.4+UA

(13)

而如果用文獻[14]中給出的公式(1)代入本例中相應(yīng)的參數(shù)，則為：

UB=2.855×1012×q1-2 815+UA

(14)

對比發(fā)現(xiàn)，其對應(yīng)的比例系數(shù)有本質(zhì)的差別?？梢?，直接按照文獻[14]中給出的方法，通過導(dǎo)體球上的電勢來確定導(dǎo)體球的一階鏡像電荷，會導(dǎo)致錯誤的結(jié)果。相反，用鏡像法處理這種給定電勢體系，只能先根據(jù)體系參數(shù)，通過球上不同的一階鏡像電荷值，來計算球上的電勢，再根據(jù)擬合公式，就可以確定導(dǎo)體球上給定電勢其所相應(yīng)的一階電荷量。

圖4 極板與導(dǎo)體球之間的電勢差隨導(dǎo)體球帶電量的變化關(guān)系Fig.4 The relationship of the potential difference between the plate and the conducting sphere with the charge amount of conducting sphere

3 結(jié)論

本文介紹了多重鏡像法在極板與給定電勢導(dǎo)體球體系中的應(yīng)用，詳細推導(dǎo)了多重鏡像法的遞推迭代公式。用得到的鏡像分布求電場分布及導(dǎo)體球的電勢，得到了導(dǎo)體球電勢與球上一階電量的函數(shù)關(guān)系。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，直接用給定電勢無法確定導(dǎo)體球上的一階鏡像，必須先根據(jù)給定體系的參數(shù)，通過鏡像法給出電勢與一階鏡像的函數(shù)關(guān)系，來確定一階鏡像的電量，再通過鏡像法計算電荷分布、電場分布。

[1] 胡先權(quán)，廖海峰.電偶極子位于均勻介質(zhì)球中時球外電場的研究[J].大學(xué)物理，2008，27(11)：20-23.

[2] 劉世明.從極化過程分析介質(zhì)球在均勻電場中的場強分布[J].河南科學(xué)，2008，26(8)：907-909.

[3] W. E. Smith and J. Rungis,Twin adhering conducting spheres in an electric field-an alternative geometry for an electrostatic voltmeter [J].Journal of Physics E：Scientific Instruments，1975，(08)：379.

[4] J. C-E.Sten, K. I. Nikoskinen,Image polarization and dipole moment of a cluster of two similar conducting spheres [J].Journal of Electrostatics，1995，(35)：267.

[5] B.Techaumnata, T. Takuma,Electric field and force on a conducting sphere in contact with a dielectric solid [J].Journal of Electrostatics，2006，(64)：165.

[6] Thomson W. Reprint of Papers On Electrostatics and Magnetism[M]. Macmillan & Company，1872.

[7] L.Poladian,General theory of electrical images in sphere pairs[J].Quarterly Journal of Mechanics and Applied Mathematics，1988，(41)：395-417.

[8] D. J. Jeffrey，Y. Onishi.Electrostatic of two unequal adhering spheres[J].Journal of Physics A: Mathematical and General，1980，(13)：2847.

[9] A.Moussiaux, A. Ronveaux,Electrostatic capacity of two unequal adhering spheres[J].Journal of Physics A: Mathematical and General，1979，(12)：423.

[10] D. J. O’Meara, D. A.Saville,The electrical forces on two touching spheres in a uniform field [J].The Quarterly Journal of Mechanics，Appl Math ，1981， 34 (1)：9-26.

[11] J.Slisko，R. A. Brito-Orta,On approximate formulas for the electrostatic force between two conducting spheres[J].American Journal of Physics，1998，(66)：352.

[12] B. U.Felderhof, D. Palaniappan,Electrostatic capacitance of two unequal overlapping spheres and the rate of diffusion-controlled absorption[J].Journal of Applied Physics，1999，(86)：6501.

[13] G.Tong,Electrostatics of two conducting spheres intersecting at angles[J]. European Journal of Physics，1996，(17)：244.

[14] H.F.M.van den Bosch，K.J.Ptasinki,and P.J.A.M.Kerkhof,Two conducting spheres in a parallel electric field[J].Appt.Phys.，1995，(78)：6345-6352.

[15] X.Gao，Q. Wang，G. Sun，C. X. Li，L. Hu, Two identical conducting spheres with same potential in a uniform electric field[J].Journal of Electrostatics，2015，(77)：88-93.

[16] 郭碩鴻. 電動力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，1997：53-56.

[17] Xin G，Lin H，Gang S. Multiple Image Method for the Two Conductor Spheres in a Uniform Electrostatic Field[J]. Communications in Theoretical Physics，2012，57(6)：1066.

The potentials and electric field distribution of the system including an electrode and a conducting sphere with fixed potential

HUANG Shuang, GUO Wei, WU Juan, GAO Xin

(College of Physics, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

The multiple image charge method has been used to study the potential and electric field distribution of the system including an electrode and a conducting sphere with fixed potential. The theoretical derivation and calculation of the image charges and dipole moments for this system has been provided. After the image distribution was determined, the electric field can be calculated using all image charges and dipole moments. The relation between the potential of the sphere and the first order image charge has been given. We point that the first order image charge on the conducting sphere must be determined by the relation equation that was calculated by image method considering the parameters used in the system.

Conducting sphere; Image charge method; Potential; Electric dipole moment; Electric field

2016-10-25

國家自然科學(xué)基金(11304049)；貴州大學(xué)博士基金(貴大人基合字(2012)020號)

黃爽(1992-)，女，碩士研究生在讀。

高欣，e-mail：gaoxin0526@163.com。

O441

A

1674-8646(2017)02-0044-03