你知道嗎

鯊魚不僅擁有超強的嗅覺

和敏銳的聽覺

還擁有一種強大的電覺感官

能夠偵測周圍的電場

今天我們就要來探討

「電場與電力線」這個主題

透過這個課程

你將能夠瞭解電場的概念

電力線的特性

以及如何應用電場與電力線的知識

我們人類擁有許多感覺來與外界互動

例如視覺嗅覺聽覺等等

但你知道有些魚類擁有電覺嗎？

由於有時候水中是很混濁的

或是獵物躲藏在環境中不易發現

所以透過水作為導體

放出生物電來感知周遭電場變化

進而感受到水流變化

與相對空間中的變化

另外還有電鰻

是直接使用電來進行獵捕

電場的概念也頻繁的出現在生活中

如打雷、使用插座充電等等

想要解釋這些現象後面的原理

就需要先來認識什麼是場

生活中所提到的場

指的是其運作的空間

例如打籃球我們會去籃球場

需要跑步我們就會去操場

而科學對於場的概念並不陌生

像是萬有引力中的重力場

當一個有質量的物質

會在周圍空間建立重力場

就像蜘蛛與他結的網

當其他有質量的物質靠近時

物體彼此間會產生重力

而重力場

就是為何物體間雖然有一段距離

卻可以不接觸而產生力的效果

卻可以不接觸而產生力的效果

類似的概念

如磁鐵也會在周圍的空間建立磁場一樣

同樣的當物體帶有電荷時

也會在周圍附近建立電場

接下來更進一步的是

如何以數學描述電場呢？

在這邊

我們還是要回憶一下重力場的公式

如畫面所示

重力場所描述的

是在一個質量為M的物體周圍

單位質量m所受到的引力大小

這個方程式告訴我們

重力場的大小與質量M成正比

和質量M的距離平方成反比

同樣的對於電場而言

它描述的是在一個點電荷周圍

單位電荷q所受到的靜電力大小

電場如圖所示

此為點電荷電場的公式

從公式可看出

電場的大小也是與電量Q成正比

而與電量Q的距離平方成反比

當距離點電荷越近

電場的強度越大

遠離點電荷時

則電場的強度會隨之減弱

知道了點電荷電場大小

會與距離及電量有關

那有什麼其他方式

可以更加直觀的描述電場呢？

我們會繪製電力線來描述電場

想要利用畫線

來表示場的分佈與狀況的人

是法拉第

這些力線用來表示場分佈的視覺化工具

最早是用來描述磁場

但現在都用來描述各種超距力場

而這些線我們就稱之為力線

同樣電場也是利用電力線來描述

電力線的特色是如果有正電荷

則箭頭方向向外指出正電荷

如果是負電荷

則力線箭頭指向負電荷

如果在電場放入一個測試正電荷

比較好理解為何電力線箭頭是這樣畫

測試正電荷

受到空間放置的正電荷影響

受力方向指離正電荷

如果將測試正電荷

放入負電荷的電場中

則測試正電荷會受到指向負電荷的力

如果電荷量越大則電力線越多

單位空間中的電力線越密集

代表該空間電場強度較大

小結一下電力線的特性

電力線從正電荷射出朝向負電荷

電場強度越大電力線越密集

電力線不會相交

因為在每個點上電場都有唯一的方向

所以電力線不會在同一點相交

但特別要注意的是

很多同學會以為我們所畫的力線

會是測試正電荷的運動軌跡

其實不是

這些力線所描述的

是測試正電荷在不同位置的受力方向

其方向為該位置的力線切線方向

我們由前面所學到的電力線知識可以知道

電力線的箭頭從正電荷指出外界

並從外界指向負電荷

所以借由判斷電力線的箭頭可以知道

B端是箭頭集中處

為負電荷可能所在之處

另外可以使用電力線的密集程度

來判斷電場強度

所以B端的電力線密集程度

較A端的電力線密集程度高

所以B端的電場強度較強

回到開頭所討論的鯊魚電覺感官

其位在鯊魚口鼻處的體孔

該構造稱為勞倫氏壺腹

該構造可以偵測海水中

極微弱的電場變化

所以海水鹽度變化、海流變化

以及空間的水流改變

都可以透過該器官

去感覺微弱的電場變化

是不是很厲害呢？

在介紹完電場與電力線的概念與應用後

我們就來替同學整理一下相關的重點

重力與電力這類超距力

都有對應的場概念

法拉第使用力線來描述場

電力線的方向箭頭

為正電荷向外

負電荷向內

電力線的切線方向

就是測試正電荷的受力方向

電荷量越大電力線越密集

電場強度越大

在距離點電荷Q的某一位置

點電荷的電場公式為

庫侖常數乘以電量Q

除以距離的平方

與電量Q成正比

與距離平方成反比

希望同學在看完影片後

能夠再重新複習這些重要概念

電鰻是有名的生物

也擅長是用電來獵捕獵物

電鰻是如何使用電的特性

來作為武器呢？

和電擊槍的原理一樣嗎？

同學們可以上網搜尋資料

分析可能的情況哦

我們下次見

bye bye