电场 · 几何 · 推导

有限长直杆:微元积分

从选取一个电荷微元,到比较离散求和与解析积分。

杆 0 ≤ x′ ≤ L场点 P 固定在 L + d
+xP0Ld+ Q

先建立坐标:源点沿杆变化,观察点始终在杆的右侧。

解析场强 Eₓ14.98 N/C
中点求和 Eₙ14.95 N/C
相对误差0.187 %
播放只推进讲解步骤,不代表真实时间演化。

从源点到场点

x[0,L],xP=L+d,s=L+dx>0x'\in[0,L],\quad x_P=L+d,\quad s=L+d-x'>0

坐标 x′ 描述源电荷位置,s 是源点到 P 的距离。电荷的正负直接决定有符号场强的正负。

带着预测操作

1. 近端与远端:等量电荷谁贡献更大?

先预测,再选择靠近两端的微元。保持 N 不变比较 s 与 dE。贡献与距离平方成反比,近端的等量电荷贡献更大。

2. 只增加 N,真实电场会改变吗?

固定 L、d、Q,将 N 从 4 增大到 16、64。解析场强应保持不变,中点求和更接近它;这改变的是计算精度。

3. 把电荷反号,再让观察点远离

先把 Q 从 +5 改为 −5 nC,箭头与两个场强读数同时反向,误差比例不变。随后减小 L 并增大 d,比较 kQ/d²:当 d 远大于 L 时,杆可以近似点电荷。

真空静电模型,SI单位。蓝色表示电荷分布,金色表示观察位置或高斯面,绿色表示有符号电场。箭头表示方向,精确大小请看读数。