已知電荷Q激發的電場為{E}=kQfrac{hat{r}}{r^n},\求相距2a的兩個電荷形成的電場線充電 pm Q.
由于系統的旋轉對稱性,只需要兩個電荷所在的某個平面內的電場線。 建立平面直角坐標系,使正電荷位于(a,0),負電荷位于(-a,0)。 很容易寫出電場為{E} =vec{E_+}+vec{E_-} =kQ(frac{hat{r}_+}{r_+^n}- frac{hat{ r}_-}{r_-^n})\ =kQbigg[frac{(xa)hat{x}+yhat{y}}{{r_+}^{ n+1}} -frac{(x+a)hat{x}+yhat{y}}{{r_-}^{n+1}}bigg],\ 其中 r_+ 和 r_ - 分別是場 點到正電荷和負電荷的距離。 這樣,電場線方程可寫為: frac{dy}{dx}=frac{E_y}{E_x}= frac{frac{y}{{r_+}^{n+ 1}}- frac{y}{{r_-}^{n+1}}}{frac{xa}{{r_+}^{n+1}}-frac{x +a}{{ r_-}^{ n+1}}}\ 求解這個方程需要一些技巧。 首先,電場分量分母上的r_+和r_-是關于x和y的多項式的根,處理起來很不方便。
因此,首先將分母相同的項組合起來得到frac{(x - a) dy - y dx}{{r_+}^{n+1}} =frac{(x + a) dy - y dx}{{r_-}^{n+1}}\ 此時其實可以直接看出分子可以寫成全微分-y^2 d(frac{x pm a}{y}) ,但如果你看不到它也沒關系。 您可以使用積分因子方法來獲得全微分。 例如電場線,對于等號左邊的分子,令積分因子為mu(x,y),mu(x - a) dy - mu y dx 為全微分。 那么frac{}{ x}[mu(xa)]=frac{}{ y}(-mu y)\ 2mu+frac{ mu}{ x}( xa)+frac{\mu}{ y}y=0\ 假設mu只是y的函數,則得到mu=-frac{1}{y^2},可得通過積分 (x - a) dy - y dx=-y^2 d(frac{x - a}{y}) 。
等號右邊也有類似的結果,我們最終得到 frac{ d(frac{x - a}{y})}{{[(xa)^2+y^2] }^{frac{n+ 1}{2}}} =frac{ d(frac{x + a}{y})}{{[(x+a)^2+y^2]}^ {frac{n+1 }{2}}}\ 此時,做法已經很明顯了:讓u_{pm}=frac{xmp a}{y},我們得到frac{ du_+}{{(1+u_+ ^2)}^{frac{n+1}{2}}} =frac{ du_-}{{(1+u_-^2)}^{ frac{n+1}{2}} }\Sointfrac{ du_+}{{(1+u_+^2)}^{frac{n+1}{2}}} - intfrac{ du_-}{{ (1+u_-^2)}^{frac{n+1}{2}}}={const}\ 是電場線方程。 假設u_{pm}=tan{{pm}},則frac{pi}{2}-{pm}是場相對正負電荷的位置向量之間的角度點與x軸正方向夾角,電場線方程為int cos^{n-1}+ d+-int cos^{n-1}- d -={const}\
最后將上述結果應用到幾個具體例子中。
(1) 考慮兩個均勻帶電的球體或均勻帶電的圓柱體。 它們的電荷密度相反,半徑大于a。 然后中間就會產生一個空腔。 腔體滿足n=-1的情況,帶入上式可得u_+ -u_-={const},即y={const}。 事實上,利用矢量法很容易得出腔體內存在均勻電場的結論。
(2)奇怪的模型:n=0。 (我想不出有什么常見的模型具有這種性質?)此時,電荷產生的電場大小處處相同,因此電場的方向垂直于電荷的角平分線場點和連接兩個電荷的線。 這與橢圓的光學特性一致電場線,因此電場線是橢圓的一部分。
用方程驗證上面的結論:方程給出sinh^{-1}u_+-sinh^{-1}u_-={const},所以u_+sqrt{1+u_-^2} -u_- sqrt{1+u_+^2}={const} 。 然后切換到橢圓坐標系(xi,\eta)(暫時只考慮上半平面):
x=axieta, y=asqrt{(xi^2-1)(1-eta^2)},\ u_{pm}=frac{xieta mp 1}{sqrt{(xi^2-1)(1-eta^2)}}, sqrt{1+u_{pm}^2}=frac{ximpeta }{sqrt{(xi^2-1)(1-eta^2)}}\ 代入,得frac{2xi}{1-xi^2}={const} ,且 1 ">xi>1,我們得到xi為常數,即電場線是以(pm a,0)為焦點的上半橢圓,電場線(形狀和方向)的下半平面與其對稱。
(3) 對于兩根電荷線密度相反的均勻帶電導線,求電場線方程。 (或者求兩個電荷密度相反的均勻帶電圓柱體外的電場。這兩個問題是等價的)這對應于n=1的情況,在這種情況下使用下面的表達式(關于theta{pm})公式速度更快,我們直接得到+--={const},這意味著場點與連線(pm a,0)之間的角度是一個常數值(圓周角),并且電場線是 (pm a,0) 圓,只不過 x 軸兩側的電場線方向相反。
(4)符合庫侖定律的兩個實點電荷,即n=2的情況。 積分得frac{xa}{sqrt{y^2+(xa)^2}}-frac{x+a}{sqrt{y^2+(x+a)^2}}= { const}\ 在[-2,0]中取不同的值,得到所有電場線。 這個方程從電通量的角度可以更好地理解,但繼續強行簡化似乎只會導致混亂的高階曲線。
值得一看的是遠處的電場線,即電偶極子的電場線。 此時{const}趨于0。除了極少數接近y軸的場點外,均具有xgg a。 因此,方程可以近似為 frac{}{ x}frac{x}{ sqrt{x^2+y^2}}cdot(-2a)={const}\ frac {y^2}{(x^2+y^2)^frac{3}{2} }=frac{{const}}{-2a}\ 用極坐標表示,就是 r= frac{-2a}{{const}}sin^2theta\ 可見電偶極子 電場線具有固定形狀。