静电能
1.7静电能
F− − q +q
P
F+
x
∂W ∂ F =− = (P ⋅ E) ∂x ∂x
肖 利
吉林师范大学物理学院 电磁学多媒体课件
∂W ∂ F =− = ( P ⋅ E ) = ∇（P ⋅ E） ∂x ∂x 力的大小与场强的变化率成正 ∂E ∂E < 0 F = −P 比 ∂x ∂x 力的方向指向场强大的一侧
一维点阵的总相互作用能： 一维点阵的总相互作用能：
W = NW0 = −2 N (ln 2)
e2 4πε 0 r
计算两个电偶极子的相互作用能， 例1.7-3计算两个电偶极子的相互作用能，设两电偶子的电矩分别为P 和 P ，相 计算两个电偶极子的相互作用能 1 2 决定。 对位置由 r21决定。
ˆ ˆ 1 3( p ⋅ er )er − P E= 3 4πε 0 r
（1）静电能 ）
−q
0
W = − qϕ (r ) + qϕ r + l +q θ ϕ(r + l ) E ∂ϕ ϕ(r ) ϕ ( r + l ) = ϕ( r ) + l = ϕ ( r ) + (∇ ϕ ) l l r ∂l r +l
l
∂ϕ ϕ (r + l ) = ϕ (r ) + = ϕ ( r ) + (∇ ϕ ) l l ∂l
P2 E21 P 1
r21
E 21 =
ˆ ˆ 3( P1 ⋅ er 21 )er 21 − P1 4πε 0 r21
3
W21 = − P2 ⋅ E21 ˆ ˆ 3( P ⋅ er 21 )( P2 ⋅ er 21 ) − P ⋅ P2 1 1 =− 3 4πε 0 r21 W21 = W12
第三章 带电系统的静电能与电场的能量
1 1 2 q1U 21 q2U 12 qi 2 2 i 1
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j 1 ( ji )
U
2
ji
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三、n个点电荷
1 n W互 q i 2 i 1
U
j 1 ( ji )
n
ji
qj U ji＝ 4 r 0 ji n U i＝ U ji j 1 ( ji )
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2. 静电能
W W0 W极
U
S1
r 以平行板电容器为例 S2 U 未充电时两极板电荷0 充电后电荷Q，充电过程中电源作功： q dA Udq dq C Q q 1 Q2 1 A dA dq Q U U 0 C 2 C 2 1 1 QU Q U 2 2 University of Science and Technology of China
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a 0 U 0 U r U 1 r 体电荷分布时静电能： 1 W r U r dV 2 V 其 中U r ： 总 电 势
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总电势： U r U1 r U r U r ： r dV在自身处的电势
静电能文档
静电能1. 引言静电能是一种重要的能量形式，指的是物体由于静电充电而具有的能量。
当两个物体之间存在电荷差异时，就会产生静电能。
不同于动能或势能，静电能是由物体所带电荷的分布所决定的。
本文将介绍静电能的相关知识，包括静电能的产生和应用等方面。
2. 静电能的产生静电能的产生源于物体的电荷分布。
当物体上存在多种电荷时，它们之间会相互吸引或排斥，从而形成电场。
这个电场可以存储能量，即静电能。
根据库仑定律，电荷与电场的关系可以表示为：$$ F=\\frac{k \\cdot q_1 \\cdot q_2}{r^2} $$其中，F表示电荷之间的力，k表示库仑常数，q1和q2是两者之间的电荷，r是它们之间的距离。
当两个电荷相互靠近时，它们之间的作用力增大，静电能也相应增加。
当电荷被移动时，静电能也会发生变化。
3. 静电能的应用3.1 静电力的应用由于静电力的特性，静电能在生活中有许多应用。
例如，静电力可以用于物体的吸附。
静电粘附：静电粘附是指利用静电力将物体粘附在一起。
在工业生产中，静电粘附可以用于粉尘、废弃物的收集，也可以用于纸张或塑料片的传输过程中，以增加运输效率。
此外，静电粘附还可以用于制造贴纸、贴画等产品。
静电喷涂：静电喷涂是一种常见的表面涂层技术。
通过静电喷涂，涂料可以通过静电力附着在物体表面上，形成均匀且具有良好附着力的涂层。
这种喷涂方式可以节约涂料，减少污染，并获得优秀的涂装效果。
3.2 静电能的储存和利用静电能不仅可以直接应用于物体间的力和吸附过程中，还可以被储存和利用。
静电能储存：静电能可以通过一些装置储存起来，例如静电容器和电容器。
静电容器是一种能够存储静电能的装置，由两个导体板之间的绝缘材料分离而成。
当电荷流经静电容器时，静电能可以在其中储存，直到需要释放为止。
静电能利用：静电能可以转化为其他形式的能量，如电能。
一种常见的利用方式是通过静电发电机将静电能转化为电能。
静电发电机是一种能够将机械能转化为电能的装置，其中静电能的转化过程使用了电场和电荷的相互作用原理。
静电能与电势差的关系
静电能与电势差的关系静电能和电势差是电学中两个重要的概念，它们在电场和电势的研究中起着至关重要的作用。
本文将探讨静电能和电势差之间的关系，并深入探讨它们的物理意义和应用。
一、静电能的定义和计算方法静电能是指由于电荷间相互作用而产生的能量。
当两个带电体之间存在电势差时，它们之间会发生电荷的转移，从而产生静电能。
静电能可以通过以下公式进行计算：静电能 = 1/2 ×电容 ×电压的平方其中，电容指的是两个带电体之间的电容量，电压则是指两个带电体之间的电势差。
二、电势差的定义和性质电势差是指单位正电荷在电场中移动时所具有的势能变化。
它是描述电场强度的重要物理量，也是计算静电能的关键因素之一。
电势差可以通过以下公式进行计算：电势差 = 电场强度 ×距离其中，电场强度指的是电场对单位正电荷的作用力，距离则是指电场中两个点之间的距离。
电势差具有以下几个重要的性质：1. 电势差与路径无关：电势差只与起点和终点的位置有关，与路径的选择无关。
这是因为电场是一个保守场，电场力的做功与路径无关。
2. 电势差的正负表示：当正电荷从高电势点移动到低电势点时，电势差为负；反之，当正电荷从低电势点移动到高电势点时，电势差为正。
3. 电势差的叠加性：如果一个电荷在电场中经过多个电势差，那么总的电势差等于各个电势差之和。
三、静电能与电势差之间存在着密切的关系。
根据物理学原理，静电能可以表示为电荷在电场中的势能，而电势差则是描述电场强度的量。
因此，可以得出以下结论：静电能 = 电量 ×电势差其中，电量指的是带电体上的电荷量。
这个公式表明，静电能与电势差成正比，而电量则是两者之间的系数。
四、静电能和电势差的物理意义和应用静电能和电势差在电学中具有重要的物理意义和应用。
首先，静电能是描述电荷间相互作用的能量，它对于理解电场的分布和电荷的运动具有重要意义。
其次，电势差是描述电场强度的量，它可以用于计算电场力对电荷的做功，从而揭示电场力的性质和特点。
静电能
产品介绍
产品介绍
对于一个带电体系的静电能，应包括每个带电体的自能和带电体间相互作用能。所谓“自能”就是将一个带 电体看成无穷个带电微元，将这些无穷多个带电体微元从无限分散状态聚集成该带电体，外力所做功的大小。所 谓“互能”则是将带电体系统中，各带电体从位置彼此分开至无穷远时，它们之间的静电力所做的功。
静电能包括自能和互能.点电荷的自能是无穷大，一般在静电学问题中都不考虑点电荷的自能。
点电荷系点ຫໍສະໝຸດ 荷系由一电场和一个被搬运电荷构成的体系的静电能 电场力搬运电荷做功提升或消耗了体系的势能。在电场中搬运一个正电荷的过程中，无论电场力做 正功还是负功，都表明了电场具有能的属性。电场力做正功则降低了体系的势能，做负功则提升了体系 的势能，若用W表示电场力做功，则电场力对电荷的做功可由下式计量 若 A点取在无限远处，即，若，则，负号表示“电场力做负功，也就是外力克服电场力做正功”。这一份功 对于电荷与电场这个体系的能量是建设性的，具有提升其势能的作用，就如同我们将一个重物提升高度而提升了 重力势能一样。 由上所述不难理解，电场力做功与体系的电势能完全遵守“功能原理”而互相转化，若用外W表示外力做功， 其转换关系就是即外力做功积累或提升了体系的电势能。上述讨论的目的是要搞清楚“外力做功”、“电场力做 功”及“电势能”三者之间的关系，明白了三者之间的关系自然就能理解“外力对搬运电荷做功提升或消耗了带 电体系的静电能”这个道理。 两个相距为r的点电荷q1、q2构成的系统的静电能 一个真空中的电荷系统可以看作是由若干彼此相距无限远的点电荷汇聚到一起形成的。
带电体系
带电体系
设空间某一区域，有一电荷任意分布的带电体系（由有限个带电体组成），其稳定的最终状态的电荷体密度 为ρ（x,y,z），电荷面密度为σ（x,y,z），电势为U(x,y,z)。因为静电场是保守力场，所以系统的总能量取 决于系统的最终状态，而与系统形成的过程无关。故设想：每一个带电体的电量都同时从零开始，按同一比例k缓 慢地增加到最终值，设初值为0，终值为1，根据场的叠加原理，空间各点的电势亦按同一比值k增加，即 kU(x,y,z)
静电能
§ 1.8 静电能 ELECTROSTATIC ENERGE （教材 P101）1.静电互作用能电荷之间的相互作用必然伴随着能量转移，由于电荷的相互作用通过电场传递，因此，能量转移必然通过电场对电荷作功来实现.我们在1.5节已经指出，静电场的保守性质，决定了它是有势场。
任何两点之间的电势差，等于电场力（或克服电场力）将单位正电荷从一点移至另一点所作的功，这功将转化为单位正电荷静电势能的改变量.因此，电势零点一经确定，任何一点的电势U ，就相当于单位正电荷在该点具有的静电势能.电势函数 U （x,y,z）在空间的分布构成标量场。
让我们设想，在其它电荷产生的外电场E 中，某点P的电势为U（x,y,z）= U（x），我们以黑体字母x 表示该点的位置矢量.当电场力（或克服电场力）将点电荷q从电势零点移至P点，电荷q就具有了势能：(1.8-1)这能量显然反映着外电场与电荷q 的相互作用，因此，这是电场与电荷q 的相互作用能。
如果我们对上式求负梯度，我们马上会得到(1.8-2)这正是外电场E 作用于电荷q的库仑力.如果一个体积为V 的电荷体系处于其它电荷的外电场E 中，设这体系的电荷密度函数为r (x) ,某个电荷元dq = r (x) d V 所在处外电场的电势为U（x）,则这电荷元与外场的静电互作用能为显然，这电荷体系与外电场的静电互作用能，就是V 内所有电荷元与外电场的静电互作用能之和，它由下述积分给出：(1.8-3)现在，我们考虑两个点电荷之间的静电互作用能.设P1和P2两点分别存在着点电荷q1和q2，两者的距离r12= r21.对于q2，q1的电场就是外电场，它在q2所在点的电势为于是， q1对q2的静电互作用能是同理，对于q1，q2的电场就是外电场，同样可得到q1对q2的静电互作用能我们看到：两个理想点电荷的静电相互作用能与它们的相互距离成反比；而且,W12= W21，即它们的相互作用能存在空间平移对称性——两者互换位置，相互作用能量不变.这从能量守恒定律可以得到解释.根据上面两式，我们现在将两个点电荷的静电互作用能写成：(1.8-4)这里，Ui是一个点电荷在另一个点电荷所在处产生的电势.这结果显然可以推广至 n个点电荷的相互作用能：(1.8-5)其中(1.8-6)是其它点电荷在第 i 个电荷所在处产生的电势之代数和2.外电场对电偶极子的作用（教材 P39 和 P109）当电矩为p = ql 的电偶极子处于外电场E中,它将与外电场发生相互作用而具有一定的势能.由（1.8-1），两个电荷的势能分别是W += qU+W-= -qU-故电偶极子的总势能为（1.8-7）即（1.8-8）其中，q 是电矩矢量p 的方向与外电场E 的方向之间的夹角.显然，q = 0 即当电矩矢量p 的方向与外场E一致的状态，是电偶极子的能量最低状态，因而也是最稳定的状态.而q = p 即p 与外场方向相反的状态，则是电偶极子的能量最高状态，即最不稳定的状态.据（1.8-2）和（1.8-7），电偶极子受到外电场的作用力为(1.8-9)可见，若外电场是均匀场，即当E与坐标无关时，则▽E = 0，于是电偶极子受到的净作用力F =0 .从组成电偶极子的两个电荷+q和-q受到的力来看，分别是 F+ = +qE 和 F-= - qE ,因此，当外电场是均匀的，电偶极子受到的合力F= F++ F-= 0.这告诉我们，处于均匀电场中的电偶极子不会出现平移运动.但是，如果外电场是非均匀场，则▽E ≠0， F ≠0，外场力将把电偶极子拉向场强较高的方向.处于非均匀电场中的电介质(dielectric)小颗粒或轻微物体，将被极化而成为电偶极子，并被吸向场强较高的地方.例如，静电吸尘及静电选矿，就是利用这个原理.从（1.8-8）式我们看到，q≠0的状态，并非电偶极子的稳定状态.事实上，由于F+和F-两者不共线，故必定会对电偶极子形成一个净力矩，并使电偶极子朝着q = 0 即外电场的方向转动.我们记电场作用于电偶极子的力矩矢量为L，L的方向亦即转轴的方向必定垂直于p 和E 线构成的平面.我们设想在这力矩作用下，q 有微小改变δ q ，从而使电偶极子的势能W 减小，即（1.8-10）（“虚功原理”，见教材P110）两边除以δ q ，并取δ q →0的极限，有（1.8-11）将代入并求导数，我们得到(1.8-12 )实际上，转动是朝着q 减小的方向、也就是(1.8-10)式中δq < 0的方向进行的，因此力矩矢量L的绝对值应为(1.8-13)考虑及此，力矩矢量应当为(1.8-14)读者也可以从上图中，通过计算两个电荷相对于中点0 所受的力矩之和，来检验（1.8-14）.——动手算一算两个电荷相对于中点0 所受的力矩矢量之和为[例1-18] 两个电偶极子的相互作用能[解] 设两电偶极子的距离为r，电矩为p1的电偶极子处于坐标原点o并沿z轴，电矩为p2的电偶极子与p1的夹角为a ，如图所示. 由（1.7-19）我们知道 p1在p2所在处产生的场强为：(1.8-15)而矢量p1可分解成球坐标下的两个分量（两个黄色箭头）：(1.8-16)即p1在p2所在处产生的场强E 可写成(1.8-17)据（1.8-7）,两者的相互作用能为(1.8-18)大家看到,两个电偶极子的相互作用能量的数值不仅与它们距离r 的3次方成反比，还与两者的相互取向有关.如果我们对上式求负梯度（在球坐标下进行），将给出两者之间的相互作用力，显然，这力与r4成反比.------ 你能否动手计算一下？现在，让我们考察如下比较特殊的几种情形：(1) 当两者共线，例如 p2也处于 z 轴，并且相同的取向，即q = 0 ,a = 0 ，此情形下两者将互相吸引，（1.8-18）给出相互作用能为负值；如果两者共线但取向相反，即q = 0 ,a = p 时, （1.8-18）给出W 将是一个正值，表示两者互相排斥.(2) 当q = p/ 2 ,a = 0 ,即两者平行且方向相同，将互相排斥，此时为正值；如果q = p/ 2 ,a = p ,两者平行但方向相反上式将变为负值,此时两者将互相吸引.上述结果对于我们今后讨论电介质（dielectric）问题显得很重要.由于组成介质的分子一般都是电中性的（总电量为零），而其电荷分布大都偏离球对称性，因此必定会出现分子电多极矩——主要是分子电偶极矩和四极矩,因此,如果从电学的角度看,电介质内部分子之间的相互作用,主要是电偶极矩以及四极矩之间的相互作用.从例1-16和例1-17读者已经看到:电偶极子的电势与 r 的2次方成反比,它们之间的相互作用势能与距离 r 的3次方成反比，电四极子的电势则与 r 的3次方成反比，它们之间的相互作用势能应当与距离 r 的4次方成反比，因此,一般情况下分子之间的电相互作用，主要地是电偶极作用.自习内容教材 P41[例5] P105 [例1] P106 [例2]3.电荷体系的静电能量（自能量） (教材P107)电荷之间存在着相互作用能，意味着带电体自身必然具有一定能量.现在,我们就来考虑任意一个电荷体系的静电能量，亦即它的自能量.我们在前面的(1.8-5)式，已经表示出n 个点电荷的静电互作用能：其中是其它点电荷在第i个电荷qi所在处产生的电势之代数和.应当主意，上式没有包括每一个电荷自身的能量.现在，我们设体积V内连续分布着电荷，电荷密度为r(x)，一个很小的体积元dV内的电荷就是dq =r (x) dV .根据电势叠加原理，每一个很小的体积元dV内的电势U (x)，应当是dV内部的电荷自己产生的电势Us （x）与dV外部的其它电荷产生的电势Ue（x）之和：U(x) = Us （x）+Ue（x）因此，dV内的电荷所具有的静电能，包含着它内部电荷的互作用能以及它与外部其它电荷的互作用能之和：于是，这带电体的总静电能量就是(1.8-19)积分体积V遍及整个电荷分布区域.4.静电场的能量和能量密度（可参阅教材P207，但讲法不同）大家知道，电荷分布稳定的带电体产生静电场，这电场与带电体不可分割地联系在一起.因此，我们把带电体的静电场叫做它的自有场.现在我们设想，通过某种方法使一个半径为a的薄球壳带上电荷q，例如，利用电源的一个电极与导体球壳接触使之带电，这过程电源作了功，然后将电极拿开，达到稳定平衡状态后，电荷均匀地分布在球壳表面上，电荷密度为如你们所知，这带电球壳的场强分布为( r≥a)E = 0 (r < a)即这球壳的电场连续地分布于整个球外区域.而球壳表面的电势则是一个常数（r = a）由于电荷只是分布于球面上，因此根据（1.8-19），将被积函数对整个球面积分，便给出这球壳的总静电能（1.8-20）一个非常重要的问题是：这个带电体的静电能究竟以什么形式存在？大家已经知道，电荷之间的相互作用是通过电场传递的.如果我们在这带电球壳外部某点放进一个试验电荷q0，它必将受到电场力的作用而改变运动状态，这意味着q从电场中获得了一定的能量！因此电场必定具有能量.让我们假设,电场的能量密度——单位体积内电场的能量为(焦耳/米3 ) （1.8-21）对于这个带电球壳而言，电场是分布在球外区域的。
静电能公式
静电能公式
电场能量为电场所具有的能量，相当于其等效电容中的电能，公式：
w=1/2*u^2*c=1/2*q^2/c。
电场能量就是电场所具有的能量，电场能量等于电场能量密度对电场所处空间的积分，点电荷产生的静电场的能量正比于点电荷的带电量的平方。
电场能量为电场所具有的能量，相当于其等效电容中的电能，公式：
w=1/2*u^2*c=1/2*q^2/c。
电场能量就是电场所具备的能量，电场能量等同于电场能量密度对电场所处空间的分数，点电荷产生的静电场的能量正比于点电荷的磁铁量的平方。
对每个元电容不许考虑边缘效应，因为每个局部元电容中的场被周围元电容中的场加以保护。
这样任意一个自由空间是由无数个元电容组构成的一个电容结构，而每个元电容都相当于一个无限大平行板电容器。
所以用理想平行板电容器的均匀场研究空间电场能量分布具有普遍意义。
电容器在电路中的促进作用：
1、当电容器两端电压增加时，电容器从电源吸收能量并储存起来；
2、当电容器两端电压减少时，电容器便把它原来所储存的能量转化成。
3、即电容器本身只与电源进行能量交换，而并不损耗能量，因此电容器是一种储能元件。
九年级物理知识点电能
九年级物理知识点电能九年级物理知识点-电能电能是物体具有的由于带电粒子存在而具备的一种能量形态。
在九年级物理学中，电能是一个重要的知识点。
本文将介绍电能的含义、种类以及应用。
一、电能的含义电能是指由于电荷的存在而具备的一种能量形态。
当电荷受到外界作用力使其运动时，就能够产生电能。
电能是一种供电设备、电器、电灯等工作所需的能量来源。
二、电能的种类根据物体具有的电能形式的不同，电能可以分为静电能和动电能。
1. 静电能静电能是指电荷在静止或静态平衡状态下所具有的能量。
当两个带电物体之间存在电势差时，它们具备了静电互相吸引或排斥的能力。
常见的静电能的应用包括静电机、静电吸尘器等。
2. 动电能动电能是指电荷在运动过程中所具有的能量。
当电荷受到外力作用而产生了电流，即电荷在导体中的移动，就能够产生动电能。
常见的动电能的应用包括电动机、发电机、电磁铁等。
三、电能的转换电能的转换是指将一种形式的电能转变为另一种形式的能量。
常见的电能转换形式包括电动能转化为光能、热能、机械能等。
1. 电能转化为光能当电流通过电阻丝时，会产生热量并发出光线，这是电能转化为光能的过程。
例如，电灯泡就是通过电能转化为光能来实现照明。
2. 电能转化为热能当电流通过电热器等电阻性载体时，由于电阻的存在，电能会被转化为热能。
例如，电暖器就是通过电能转化为热能来实现供暖的。
3. 电能转化为机械能电能也可以转化为机械能，例如电动机的工作原理就是将电能转化为机械能。
当电流通过线圈时，产生的磁场与外部磁场相互作用，从而驱动电动机转动。
四、电能的应用电能在生活、工业和科学研究中有着广泛的应用。
1. 生活中的应用电能在生活中的应用非常普遍。
我们的家庭和日常生活中常见的电器，如电视、电冰箱、电脑、手机等，都是通过电能来工作的。
此外，电能还用于烹饪、加热水以及照明等方面。
2. 工业中的应用电能在工业中的应用非常广泛。
电动机、电炉、电焊机等都是利用电能来驱动和加热的设备。
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§ 1.8 静电能 ELECTROSTATIC ENERGE （教材 P101）1.静电互作用能电荷之间的相互作用必然伴随着能量转移，由于电荷的相互作用通过电场传递，因此，能量转移必然通过电场对电荷作功来实现.我们在1.5节已经指出，静电场的保守性质，决定了它是有势场。
任何两点之间的电势差，等于电场力（或克服电场力）将单位正电荷从一点移至另一点所作的功，这功将转化为单位正电荷静电势能的改变量.因此，电势零点一经确定，任何一点的电势U ，就相当于单位正电荷在该点具有的静电势能.电势函数 U （x,y,z）在空间的分布构成标量场。
让我们设想，在其它电荷产生的外电场E 中，某点P的电势为U（x,y,z）= U（x），我们以黑体字母x 表示该点的位置矢量.当电场力（或克服电场力）将点电荷q从电势零点移至P点，电荷q就具有了势能：(1.8-1)这能量显然反映着外电场与电荷q 的相互作用，因此，这是电场与电荷q 的相互作用能。
如果我们对上式求负梯度，我们马上会得到(1.8-2)这正是外电场E 作用于电荷q的库仑力.如果一个体积为V 的电荷体系处于其它电荷的外电场E 中，设这体系的电荷密度函数为r (x) ,某个电荷元dq = r (x) d V 所在处外电场的电势为U（x）,则这电荷元与外场的静电互作用能为显然，这电荷体系与外电场的静电互作用能，就是V 内所有电荷元与外电场的静电互作用能之和，它由下述积分给出：(1.8-3)现在，我们考虑两个点电荷之间的静电互作用能.设P1和P2两点分别存在着点电荷q1和q2，两者的距离r12= r21.对于q2，q1的电场就是外电场，它在q2所在点的电势为于是， q1对q2的静电互作用能是同理，对于q1，q2的电场就是外电场，同样可得到q1对q2的静电互作用能我们看到：两个理想点电荷的静电相互作用能与它们的相互距离成反比；而且,W12= W21，即它们的相互作用能存在空间平移对称性——两者互换位置，相互作用能量不变.这从能量守恒定律可以得到解释.根据上面两式，我们现在将两个点电荷的静电互作用能写成：(1.8-4)这里，Ui是一个点电荷在另一个点电荷所在处产生的电势.这结果显然可以推广至 n个点电荷的相互作用能：(1.8-5)其中(1.8-6)是其它点电荷在第 i 个电荷所在处产生的电势之代数和2.外电场对电偶极子的作用（教材 P39 和 P109）当电矩为p = ql 的电偶极子处于外电场E中,它将与外电场发生相互作用而具有一定的势能.由（1.8-1），两个电荷的势能分别是W += qU+W-= -qU-故电偶极子的总势能为（1.8-7）即（1.8-8）其中，q 是电矩矢量p 的方向与外电场E 的方向之间的夹角.显然，q = 0 即当电矩矢量p 的方向与外场E一致的状态，是电偶极子的能量最低状态，因而也是最稳定的状态.而q = p 即p 与外场方向相反的状态，则是电偶极子的能量最高状态，即最不稳定的状态.据（1.8-2）和（1.8-7），电偶极子受到外电场的作用力为(1.8-9)可见，若外电场是均匀场，即当E与坐标无关时，则▽E = 0，于是电偶极子受到的净作用力F =0 .从组成电偶极子的两个电荷+q和-q受到的力来看，分别是 F+ = +qE 和 F-= - qE ,因此，当外电场是均匀的，电偶极子受到的合力F= F++ F-= 0.这告诉我们，处于均匀电场中的电偶极子不会出现平移运动.但是，如果外电场是非均匀场，则▽E ≠0， F ≠0，外场力将把电偶极子拉向场强较高的方向.处于非均匀电场中的电介质(dielectric)小颗粒或轻微物体，将被极化而成为电偶极子，并被吸向场强较高的地方.例如，静电吸尘及静电选矿，就是利用这个原理.从（1.8-8）式我们看到，q≠0的状态，并非电偶极子的稳定状态.事实上，由于F+和F-两者不共线，故必定会对电偶极子形成一个净力矩，并使电偶极子朝着q = 0 即外电场的方向转动.我们记电场作用于电偶极子的力矩矢量为L，L的方向亦即转轴的方向必定垂直于p 和E 线构成的平面.我们设想在这力矩作用下，q 有微小改变δ q ，从而使电偶极子的势能W 减小，即（1.8-10）（“虚功原理”，见教材P110）两边除以δ q ，并取δ q →0的极限，有（1.8-11）将代入并求导数，我们得到(1.8-12 )实际上，转动是朝着q 减小的方向、也就是(1.8-10)式中δq < 0的方向进行的，因此力矩矢量L的绝对值应为(1.8-13)考虑及此，力矩矢量应当为(1.8-14)读者也可以从上图中，通过计算两个电荷相对于中点0 所受的力矩之和，来检验（1.8-14）.——动手算一算两个电荷相对于中点0 所受的力矩矢量之和为[例1-18] 两个电偶极子的相互作用能[解] 设两电偶极子的距离为r，电矩为p1的电偶极子处于坐标原点o并沿z轴，电矩为p2的电偶极子与p1的夹角为a ，如图所示. 由（1.7-19）我们知道 p1在p2所在处产生的场强为：(1.8-15)而矢量p1可分解成球坐标下的两个分量（两个黄色箭头）：(1.8-16)即p1在p2所在处产生的场强E 可写成(1.8-17)据（1.8-7）,两者的相互作用能为(1.8-18)大家看到,两个电偶极子的相互作用能量的数值不仅与它们距离r 的3次方成反比，还与两者的相互取向有关.如果我们对上式求负梯度（在球坐标下进行），将给出两者之间的相互作用力，显然，这力与r4成反比.------ 你能否动手计算一下？现在，让我们考察如下比较特殊的几种情形：(1) 当两者共线，例如 p2也处于 z 轴，并且相同的取向，即q = 0 ,a = 0 ，此情形下两者将互相吸引，（1.8-18）给出相互作用能为负值；如果两者共线但取向相反，即q = 0 ,a = p 时, （1.8-18）给出W 将是一个正值，表示两者互相排斥.(2) 当q = p/ 2 ,a = 0 ,即两者平行且方向相同，将互相排斥，此时为正值；如果q = p/ 2 ,a = p ,两者平行但方向相反上式将变为负值,此时两者将互相吸引.上述结果对于我们今后讨论电介质（dielectric）问题显得很重要.由于组成介质的分子一般都是电中性的（总电量为零），而其电荷分布大都偏离球对称性，因此必定会出现分子电多极矩——主要是分子电偶极矩和四极矩,因此,如果从电学的角度看,电介质内部分子之间的相互作用,主要是电偶极矩以及四极矩之间的相互作用.从例1-16和例1-17读者已经看到:电偶极子的电势与 r 的2次方成反比,它们之间的相互作用势能与距离 r 的3次方成反比，电四极子的电势则与 r 的3次方成反比，它们之间的相互作用势能应当与距离 r 的4次方成反比，因此,一般情况下分子之间的电相互作用，主要地是电偶极作用.自习内容教材 P41[例5] P105 [例1] P106 [例2]3.电荷体系的静电能量（自能量） (教材P107)电荷之间存在着相互作用能，意味着带电体自身必然具有一定能量.现在,我们就来考虑任意一个电荷体系的静电能量，亦即它的自能量.我们在前面的(1.8-5)式，已经表示出n 个点电荷的静电互作用能：其中是其它点电荷在第i个电荷qi所在处产生的电势之代数和.应当主意，上式没有包括每一个电荷自身的能量.现在，我们设体积V内连续分布着电荷，电荷密度为r(x)，一个很小的体积元dV内的电荷就是dq =r (x) dV .根据电势叠加原理，每一个很小的体积元dV内的电势U (x)，应当是dV内部的电荷自己产生的电势Us （x）与dV外部的其它电荷产生的电势Ue（x）之和：U(x) = Us （x）+Ue（x）因此，dV内的电荷所具有的静电能，包含着它内部电荷的互作用能以及它与外部其它电荷的互作用能之和：于是，这带电体的总静电能量就是(1.8-19)积分体积V遍及整个电荷分布区域.4.静电场的能量和能量密度（可参阅教材P207，但讲法不同）大家知道，电荷分布稳定的带电体产生静电场，这电场与带电体不可分割地联系在一起.因此，我们把带电体的静电场叫做它的自有场.现在我们设想，通过某种方法使一个半径为a的薄球壳带上电荷q，例如，利用电源的一个电极与导体球壳接触使之带电，这过程电源作了功，然后将电极拿开，达到稳定平衡状态后，电荷均匀地分布在球壳表面上，电荷密度为如你们所知，这带电球壳的场强分布为( r≥a)E = 0 (r < a)即这球壳的电场连续地分布于整个球外区域.而球壳表面的电势则是一个常数（r = a）由于电荷只是分布于球面上，因此根据（1.8-19），将被积函数对整个球面积分，便给出这球壳的总静电能（1.8-20）一个非常重要的问题是：这个带电体的静电能究竟以什么形式存在？大家已经知道，电荷之间的相互作用是通过电场传递的.如果我们在这带电球壳外部某点放进一个试验电荷q0，它必将受到电场力的作用而改变运动状态，这意味着q从电场中获得了一定的能量！因此电场必定具有能量.让我们假设,电场的能量密度——单位体积内电场的能量为(焦耳/米3 ) （1.8-21）对于这个带电球壳而言，电场是分布在球外区域的。
让我们试试看，将球外场强代入（1.8-21），并对球外空间积分，将会得到什么？注意到球坐标中的体积元我们有（1.8-22）这结果与（1.8-20）完全相等！这告诉我们：带电体的静电能量，以电场能的形式分布于它周围的空间中.更普遍的理论推导和实验结果都表明：无论是稳定的电场，还是非稳定的电场，（1.8-21）式，即都是电场能量密度的表达式.现在大家已经看到了，电场强度E，已经不仅仅表示单位电荷在电场中受到的作用力（通过库仑定律所定义的含义），E2实际上直接地描述了电场能量密度——电场能量在空间中的分布函数.关于电磁质量既然电场具有一定的能量，根据爱因斯坦质能关系W = mc2（1.8-23）电场必定也具有一定的质量.也就是说，电场是一种客观存在的物质.质能关系（1.8-23）最重要的物理意义，是它揭示了“质量”的起源——即一定的质量来源于一定的相互作用能量.我们知道，在带电粒子静止的参照系观察，粒子静电场——这是粒子电荷的自有场，为什么带电粒子自有场与它的电荷不可分割地连在一起？其实，这里存在着相互作用的两个方面：一方面是电荷产生电场另一方面是电场反作用于电荷由于任何相互作用都必然遵从能量守恒，因此，电荷产生在的电场能量，一定等于电场反作用于电荷的能量，正是这一作用与反作用能量，将电荷和它的自有场不可分割地连系在一起 . 带电粒子的自有场对粒子的反作用，必然导致带电粒子具有一定的电磁质量.因此，我们现在所测量到的一切带电粒子的质量，都必然包含着它的电磁质量.[例1-19]电子的“电磁质量”及其“经典半径” （教材P108 例题3）大家知道，电子与质子所带电量的绝对值是相等的.电子属于轻子族，其静止质量约为m=9.11×10-31千克(静止能量约为mc2 = 0.51MeV)，几乎只有属于强子族的质子静止质量的1/1840. 近年来高能物理实验的结果表明，质子内部存在着深层次结构——夸克，胶子在夸克之间传递着强作用.质子的均方根半径的数量级为10-15米.从理论上来说，电子具有静止能量，意味着它也应当存在某种内部结构，但是迄今为止的实验，直到10-18米的深度，仍未发现电子的内部结构.如果我们把电子看成纯粹的“点粒子”，则“点粒子”模型又导致能量“发散困难”. 这是在由于r =0 即点电荷自身所在点上，电场强度E=? ，于是此处电场能量密度为无穷大，因而其电场能量也是无穷大.这不符合电子具有有限能量的客观事实一个非常简单的经典模型是:把电子电荷看成均匀地分布于半径为a的球面，因而由（1.8-22）和（1.8-23）,它的静电场能量（自能量）和电磁质量就分别是假设电子内部还存在着另一种相互作用——以维持这种电荷按球面分布的结构，这意味着电子内部必定存在着另一种质量来源，设这部分质量为mi,则电子的总质量为m =m em +mi,若再假定两部分质量有相同的数量级，即m≈2 mem,于是由W=mc2 ,得到(1.8-24)即电子的“经典半径”为（1.8-25）如果把电子电荷看成为均匀分布于球体内，我们也会得到相同数量级的半径.(参见教材P108 ）（2000年北京大学研究生入学考试电动力学试题）表面上看来，（1.8-25）式给出的“电子半径”由几个已知的、而且是反复测量过的基本物理常数构成. 但是它与实验所观测到的结果相差了3个数量级！这说明上述经典模型，离实际相去甚远.即使是当今的量子场论，也未能就电子的内部结构提出一个合理的模型.也就是说，直到现在，无论是理论上还是实验上，我们都未明白电子的内部结构。