电势

电势用“单位电荷的能量”来描述电场,因此它是标量。多个电荷的问题中,先代数相加电势往往比直接处理矢量力更简单,再由电势差求能量变化或由电势梯度恢复电场。

电压就是单位电荷的能量变化

ΔV = ΔU/q    ·    ΔU = qΔV

两点之间的电势差定义为 ΔV = ΔU/q,所以 ΔU = qΔV。1 V = 1 J·C⁻¹。电势差属于空间中的两个位置,而电势能 U 属于具体的带电粒子。把“电压”和“电势能”混成同一个量,会在负电荷问题中立刻产生符号错误。

点电荷与多个电荷的电势

V = kQ/r    ·    V = Σ kQᵢ/rᵢ

若把无穷远处取为 V = 0,点电荷 Q 在距离 r 处产生 V = kQ/r。注意这里保留 Q 的正负号。多个点电荷的总电势直接按标量代数相加:V = Σ kQᵢ/rᵢ。这与电场的矢量叠加不同,因此某点可以 V = 0 而 E⃗ 并不为零。

点电荷电势计算器

从电势重新得到电场

Eₓ = −dV/dx

电场指向电势降低最快的方向。一维情况下 Eₓ = −dV/dx;电势随位置变化越陡,电场越强。沿等势面移动时 ΔV = 0,因此静电力对电荷做的净功为零。电场必须垂直于等势面,否则沿等势面就会存在电场分量并改变电势。

+较高 V较低 VE⃗ 垂直等势线
等势线与电场方向

电势零点可以怎样选择

只有电势差直接决定可测量的能量变化,因此电势零点可以按问题方便来选。孤立点电荷常把无穷远设为零,电路常选一个接地点为 0 V。若把所有电势同时加上同一个常数,任何 ΔV、E⃗ 和可观测运动都不改变。零点是参考,不是新的物理场。

能量推理与常见符号错误

记住 U = qV:电势 V 由源电荷配置决定,而电势能还取决于放入的 q。因此“较低电势”并不总等于“较低电势能”;负电荷恰好相反。电场做功满足 Wfield = −ΔU = −qΔV。正电荷在只受静电力时倾向向较低 V 运动,负电荷则倾向较高 V。

例题

1. 点电荷的电势

求距 +4.0 nC 点电荷 0.30 m 处的电势,取无穷远为零。

解答

V = kQ/r ≈ 120 V。

2. 电势能变化

+2.0 μC 电荷经过 ΔV = −150 V 的电势差。求 ΔU。

解答

ΔU = qΔV = (2.0 × 10⁻⁶)(−150) = −3.0 × 10⁻⁴ J。

3. 由电势差估计匀强电场

电势在 0.20 m 内均匀降低 600 V。求电场大小与方向。

解答

|E| = |ΔV|/Δx = 3.0 × 10³ V·m⁻¹,方向指向电势降低的一侧。