什麼是電場計算機?
這款工具能計算單一點電荷在指定距離處所產生的電場大小。它採用庫侖定律的電場形式 \(E = kQ/r^{2}\),結果以「牛頓/庫侖(N/C)」表示,數值上與「伏特/公尺(V/m)」完全相同。這是放諸四海皆準的物理計算,適用於任何地方。
使用方法
請輸入電源電荷 \(Q\)(單位為庫侖,例如 1 µC 可輸入 0.000001 這類科學記數量),以及從電荷到欲求電場之處的距離 \(r\)(單位為公尺)。按下計算,即可讀出電場強度。正電荷會產生正值(指向外側)的電場;負電荷則得到負值,表示電場方向指向該電荷。
公式解析
點電荷的電場會隨距離的平方反比衰減:
$$E = \frac{kQ}{r^{2}}$$其中 \(k\) \(\approx 8.9876 \times 10^{9}\ \text{N}\cdot\text{m}^{2}/\text{C}^{2}\) 為庫侖常數,\(Q\) 是以庫侖為單位的電荷量,\(r\) 則是以公尺為單位的間隔距離。當距離加倍時,電場強度會降為原本的四分之一。
計算範例
以 \(Q = 1 \times 10^{-6}\ \text{C}\)(1 µC)、\(r = 1\ \text{m}\) 為例:
$$E = \frac{8.9876 \times 10^{9} \times 1 \times 10^{-6}}{1^{2}} \approx 8{,}987.55\ \text{N/C}$$當 \(r = 2\ \text{m}\) 時,電場便降至約 2,246.89 N/C——只剩四分之一的強度。
常見問題
\(E\) 的單位是什麼?牛頓/庫侖(N/C),等同於伏特/公尺(V/m)。
為什麼我算出來是負值?負的電源電荷會產生指向該電荷的電場;正負號代表沿著徑向直線的方向。
距離可以設為零嗎?不行——電場在 \(r = 0\) 時會發散,因此計算機會回傳 0 以避免除以零的情況。請使用非零的距離。