放置在空間中的帶電體會在空間中激發(fā)電場,帶電體之間的相互作用通過這個電場傳遞。 
庫侖定律是靜電學(xué)的基本定律。原則上說,庫侖定律加上靜電力疊加原理可以求解任意帶電體的靜電力問題。然而,庫侖定律并沒有說明電荷之間的相互作用是如何運(yùn)作的。 經(jīng)驗(yàn)告訴我們,兩個物體之間要進(jìn)行相互作用,就必須有相互接觸,我們把這種相互作用稱為接觸作用或近距作用。然而,像萬有引力和靜電力這樣的力,進(jìn)行相互作用的兩個物體并沒有相互接觸,它們之間的力是怎樣傳遞的呢?在電磁理論發(fā)展的初期,有一種觀點(diǎn)認(rèn)為,電荷之間的力是一種超距作用力,超距作用的觀點(diǎn)最先體現(xiàn)在牛頓的萬有引力理論中。根據(jù)超距作用的觀點(diǎn),相隔一定距離的兩個物體的相互作用既不需要介質(zhì)傳遞,也不需要傳遞時間。后來,法拉第在大量實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上提出了以近距作用觀點(diǎn)為基礎(chǔ)的力線和場的概念。在這個基礎(chǔ)上,麥克斯韋建立了完整的電磁理論。根據(jù)電磁理論,光是某個頻率范圍內(nèi)的電磁波。于是人們設(shè)想,電磁波是一種被稱為 “以太” 的東西的擾動在傳播,電磁力也通過以太傳遞。以太是亞里士多德為了填充宇宙中的虛空而假想的一種物質(zhì),人們曾經(jīng)認(rèn)為,光是以太的擾動在傳播。然而,后來的實(shí)驗(yàn)卻顯示,根本就不存在 “以太” 這種東西。盡管以太的觀念在實(shí)驗(yàn)事實(shí)面前遭到了滅頂之災(zāi),但是場的概念卻保留了下來。今天,場的概念已經(jīng)成為現(xiàn)代物理學(xué)中最重要的基本概念之一。按照現(xiàn)代物理學(xué)的觀點(diǎn),物體之間的相互作用是通過場以有限的速率傳遞的。場是實(shí)在世界的基本存在形式,它具有能量、動量和質(zhì)量等普通的有形物質(zhì)所具有的基本屬性,還具有波動性和疊加性等有形物質(zhì)所沒有的基本屬性。實(shí)在世界的實(shí)物存在形式與場存在形式之間是可以相互轉(zhuǎn)化的。實(shí)物場源可以激發(fā)相應(yīng)的場,實(shí)物與實(shí)物之間的相互作用表現(xiàn)為相應(yīng)的場之間的相互作用;由實(shí)物激發(fā)的場可以脫離場源獨(dú)立存在,這是場的獨(dú)立性;實(shí)物形式的物質(zhì)在一定的條件下可以轉(zhuǎn)化為場的存在形式;獨(dú)立存在的場在一定的條件下也可以轉(zhuǎn)化為實(shí)物形式的物質(zhì)?,F(xiàn)代粒子物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)成果完全證實(shí)了現(xiàn)代場論關(guān)于實(shí)物與場之間的這些關(guān)系。在討論帶電體之間的相互作用問題時,以上觀念就表現(xiàn)為:帶電體之間的相互作用是通過電場傳遞的。有電荷的空間就有電場,用物理學(xué)的術(shù)語講就是,電荷在空間中激發(fā)電場。一個電荷所激發(fā)的電場對處于其中的任何別的電荷都有作用力,稱之為電場力。考慮一個相對于觀測者靜止的點(diǎn)電荷和一個同樣是靜止的試驗(yàn)電荷的相互作用。由庫侖定律可知,試驗(yàn)電荷所受的靜電力與其電量之比是一個與試驗(yàn)電荷本身無關(guān)的量,它反映了我們考慮的那個點(diǎn)電荷所激發(fā)的電場本身的特性,我們把這個特性稱為該點(diǎn)電荷所激發(fā)的電場的電場強(qiáng)度。于是,一個點(diǎn)電荷所激發(fā)的電場在空間中任意一點(diǎn)的電場強(qiáng)度就可以被定義為:其中 是試驗(yàn)電荷的電量,單位矢量從所考慮的點(diǎn)電荷指向空間中被研究的場點(diǎn),我們原先把試驗(yàn)電荷放在這個點(diǎn)上以測試該點(diǎn)的電場強(qiáng)度, 是所考慮的點(diǎn)電荷到該點(diǎn)的距離。 由于我們所考慮的點(diǎn)電荷是靜止不動的,空間中任意一點(diǎn)到該點(diǎn)電荷的方向和距離不隨時間改變。因此,從電場的表達(dá)式可以得出,這個點(diǎn)電荷激發(fā)的電場在空間中任意一點(diǎn)的電場強(qiáng)度也不隨時間改變。我們把具有這種性質(zhì)的電場稱為靜電場,在不引起誤會的情況下,習(xí)慣上把靜電場就簡稱為電場。可以把點(diǎn)電荷激發(fā)的電場的這個定義推廣到更一般的情況:當(dāng)空間中存在一個電場時,這個電場在空間中任意一點(diǎn)的電場強(qiáng)度正比于放置在該點(diǎn)上的試驗(yàn)電荷所受的靜電力: 前面已經(jīng)講到,電荷的存在必定會在空間中激發(fā)電場,試驗(yàn)電荷也不例外。因此,在利用電場強(qiáng)度的這個定義測量空間中的電場時,必須確保試驗(yàn)電荷的電量足夠小,以致它所激發(fā)的電場不會明顯地干擾原先的電場;還要確保試驗(yàn)電荷的線度足夠小,使得測量所得到的量確實(shí)是空間中的一個 “點(diǎn)” 上的電場。把電場強(qiáng)度的這個定義應(yīng)用到點(diǎn)電荷組,由靜電力的疊加原理可以得到這個點(diǎn)電荷組所激發(fā)的電場在空間中任意一點(diǎn)的電場強(qiáng)度:這個結(jié)論被稱為場強(qiáng)的疊加原理。在這個表達(dá)式中,下標(biāo)字母 用來標(biāo)記所考慮的點(diǎn)電荷組的各個點(diǎn)電荷, 是第 個點(diǎn)電荷所激發(fā)的電場在空間中任意一點(diǎn)的電場強(qiáng)度, 是第 個點(diǎn)電荷到所研究的點(diǎn)的距離, 從第 個點(diǎn)電荷指向這個點(diǎn),求和符號表示對所考慮的點(diǎn)電荷組的各個點(diǎn)電荷實(shí)施求和。
|