電場與重力場一樣是沒有形體的 那你知道看不見也摸不著的電場 到底在哪裡嗎？ 你可能會說 電學之父法拉第先生說過 可以用電力線來描述電場的分布情形 這麼說是沒錯 但電力線也是看不見也摸不著的 我們雖然無法直接用肉眼看見電力線 但卻可以透過實驗的設計 來找出電力線與電場的關係 實驗開始前我們先來複習一下 電場與電力線的關係： 1.電力線始於正電荷而終於負電荷 故單一正電荷會產生輻射向外的電力線 而單一負電荷則是輻射向內的 2.電力線並非封閉曲線 3.電力線彼此排斥 互不相交 而電力線與等位線的關係 可以將二維空間中電位相同的點連線 即為等位線 並由電位公式得知： 點電荷的等位線 在平面上必為圓形 再透過等位線的分布情況 可推得電場的空間分布 我們可以看到電力線與等位線會互相垂直 接著我們就來看看這個電力線與電場的實驗 由於空間中的電場是無法直接測量的 通常要找出分布於空間中的等電位面 再根據等電位面與電場間的關係 描繪出用以代表電場之電力線的分布情形 進而得知空間中電場的資訊 所以此實驗的目的為： 以實驗方式 畫出兩帶等量異性電荷 電極間的等電位線圖形 並由此電位線決定電力線 接下來 我們來看實驗中使用的原理： 電場： 單位正電荷置於電場中某一點所受的電力 稱為該點的電場 電力線： 電力線為法拉第所提出之想像概念 為空間中帶有方向性的直線或曲線 電力線的性質有： 靜電荷的電力線始於正電荷 而終於負電荷 非封閉曲線 單一帶正電之點電荷 其電力線由正電荷出發而至無窮遠處 單一帶負電之點電荷 其電力線由無窮遠處出發 而終止於負電荷 電力線上任一點的切線方向 表示該點的電場方向 電力線分布的疏密 代表該處電場的強弱 電力線密度愈大則電場愈強 電力線彼此排斥 互不相交 等電位線 由於電荷所受電力方向為電力線的切線方向 若電荷垂直電力線運動 所受電力與位移垂直 電力對電荷不作功 故電位能沒有變化 電位亦無變化 因此電力線會與等電位線垂直 直接測量電荷所受的電力 而繪出電力線的形狀 在實驗上有其難度 因此 可以先測出在電場中電位相同的位置點 並連線找出等電位線 因為等位線和相交的各條電力線互相垂直 就可以沿等電位線的垂直方向上 繪出電力線 這個實驗需要準備的實驗器材有： 透明材質的電場形成盤1組 銅製圓柱金屬電極2個 探針2根 檢流計1個 直流電源供應器或使用乾電池組1個 方格紙數張 及適量的食鹽 接著就可以準備進行實驗囉 實驗步驟如下： 步驟一 準備2張方格紙 一張墊在電場形成盤下面 另一張用來繪製等位線 接著在電場形成盤中倒入自來水 水深不得超過金屬電極之高度 並在水中加入微量食鹽以增加導電性 步驟二 將金屬電極置於電場形成盤內 以導線連接直流電源 並在方格紙上描繪出兩電極的對應位置 接著以手持或固定於夾座上的方式 保持探針的針尖沒入水面 並將兩探針以導線連接檢流計 步驟三 將探針N1位置固定 並在方格紙上記錄對應位置 接著移動探針N2 並觀察檢流計是否偏轉 當移動至檢流計不偏轉的位置 記錄下該位置 接著繼續移動探針N2 尋找並記錄多個檢流計不偏轉的位置 最後將這些點連接即得一條等位線 步驟四 改變探針N1位置 重複步驟三 再找到其他條等位線 找到至少四條等位線後 接著在紙上描繪出與各等位線皆垂直的電力線 而電力線方向會由正極指向負極 接著我們來看下面的問題 兩不同的等電位線或電力線 在電荷之外的空間中是否會各自相交？ 答案是：否 空間中任一點的電場 只有一確定的量值與方向 倘若有兩電力線相交 則交會點的電場有兩個不同的量值與方向 並不合理 故電力線不相交 同理 任一點的電位也應只有一確定值 倘若有兩條等位線相交 交會點會有兩個不同的電位 亦為不合理的結果 可知等位線也不相交 正電質點在電場中的運動軌跡 就是電力線嗎？ 答案是：不一定 電力線的切線方向為受力方向 但物體的速度方向 除了與受力方向有關之外 也與初速度有關 若正電荷初始狀態為靜止 且所在位置的電力線為直線 則正電荷運動軌跡恰為電力線 若正電荷有初速 或所在位置電力線彎曲 則運動軌跡與電力線並不重合 請問 關於「等位線與電場」的實驗 下列敘述何者正確？ 回到開頭的問題 只要藉由等位線與電場的實驗 先找到等位線 便可找到電力線 就可以透過電力線 來瞭解電場的分布情況囉！ 我們學到了： 正電荷置於電場中某一點所受的電力 稱為該點的電場 電力線密度愈大則電場愈強 電力線上任一點的切線方向 表示該點的電場方向 且互不相交 等位線會與電力線垂直 最後請你想一想 電力線是否會垂直於金屬電極的表面呢？ 歡迎留言分享你的想法 我們下次見 bye bye