大地和无穷远能否同时作为电势零点?
请高手给个说法和理由,或者是限制条件。
比人先谢谢了。
大地和无穷远能否同时作为电势零点?
请高手给个说法和理由,或者是限制条件。
比人先谢谢了。
U---r 曲线图
1.2 电势零点选择的受限性
电势零点的选择虽然带有一定的任意性,但也受一定条件限制,这个条件是:电势零点一旦选定。电场中各个点电势必须具有确定的值。否则毫无意义。即积分 UP=∫E.dr必须是收敛的。限于这个条件,电势零点的选择问题便依具体情况而定 。
一般说来,由一定带电体系所决定的电场,其场强是场点的矢量函数 ,它的形式一般写成E=k.r/rm (1),(1)式中 k是与场源电荷分布情况,场源电荷电量大小及选取单位有关的比例系数,r指场点至带电体或至带电体系中心的距离,r指矢径单位矢,m为整数。电场中某一点 的电势:Up=∫pE.dr=∫rk.dr/rm (2),从上式看出, 电势参考点的选取由m决定,下面分三种情况讨论:
(1)当m>1时 ,零电势参考点的选取。这种情况参考点应选在无穷远处为宜。这样,电场中p点的电势:Up=∫pE.dr=∫rk.dr/rm=kr1-m /(1-m )|r…(3),显然,(3)式定积分有确定值的条件是m>1
带电体系在有限空间时,其电场强度E=k.r/rm中的m总是大于1的。
如:点电荷的电场:E=Qr/4πε0r2 (4)其m=2
电偶极子的电场:E=kr/r3 (5)其m=3
电四极子的电场:E=kr/r4 (6)其m=4,它们的m均大于1
[例一]:点电荷电场零电势参考点的选取:
对点电荷,E=Qr/4πε0r2
a. 若取点电荷所在处电势为零 ,则:Up=∫rQdr/4ε0лr2=-Q/4πε0r∣r
= -∞+Q/4πε0r (7)
(7)式结果没有意义,所以零电势参考点不可选在点电荷上。
b.若取无穷远处电势为零:则Up=∫rQdr/4πε0r2= -Q/4πε0r|r=Q/4πε0r (8),在电场一定位置,电势有个确定值,符合要求。
c.若取场中一定位置a为零电势参考点,则:Up=∫raQdr/4πε0r2=
Q(1/r-1/ra)/4πε0 (9),场中一定位置电势有个确定值,也符和要求 。不过计算时较之选无穷远要麻烦些。
所以,对于点电荷激发的场,计算场中各点的电势时,通常选择无穷远处为电势的零点,这里所说的"点电荷"和"无穷远"都是物理意义上的概念。实际上,真正的点电荷是不存在的,这是一个物理模型,如带电体的线度比距带电体之间的距离小的多,就可以把带电体看作点电荷,因为带电体电场分布随距离的增大而趋于按1/r2的规律减小,上面所说无限远也并非数学意义上的无限远,它是指场强已减得很弱而可以忽略不计的地方,这些地方对带电体来说是无限大的等势面,取无限远处电势为零,就是规定这个无限大的球形等势面的电势为零。
分布在有限区域内的点电荷系或连续带电体激发的电场中电势零点的选择。任何一个分布在有限范围的带电体都可以看成是若干个点电荷组成的。根据电势迭加原理,整个带电体在它激发的电场中某点的电势等于这个若干个点电荷独立存在时在该点产生的电势的代数和,由于计算每一个点电荷在该点产生的电势通常是以无穷远处作为电势零点的,所以在计算电荷分布在有限范围内的带电体在该点产生的电势时,自然而然地也就可以选无穷远作为电势零点。