電通量的物理意義是與電場強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)的,電場強(qiáng)度的數(shù)值就是:在與電場方向正交的表面上,通過單位面積表面的電通量,也就是電通量面密度。  設(shè)想有一個噴水器,均勻地向四面八方噴水。假設(shè)噴水器在單位時間內(nèi)向外噴射的水量為 ,所噴射的水流以噴水器為中心,沿徑向放射性地射向無窮遠(yuǎn)?,F(xiàn)在要回答這樣一個問題:在以噴水器為中心,半徑為 的球面上有面積為 的一小塊球面。我們想要知道,在單位時間內(nèi)有多少水量流過這塊球面。我們知道,一個半徑為 的球面的總面積為 。由于噴水器在單位時間內(nèi)噴出的水量為 ,因此,單位時間內(nèi)流過這個球面的水量也是 。由于噴水器均勻地向四面八方噴射水流,因此,單位時間內(nèi)流過這個球面上單位面積表面的水量必定為 。于是,單位時間內(nèi)流過 的水量就是 。在對上述問題的解答中,我們看到了一些熟悉的東西:與距離的平方成反比的規(guī)律。把流過球面上單位面積表面的水量與點電荷的電場強(qiáng)度作比較,就不難體會到所謂的電場強(qiáng)度的意義何在:電場強(qiáng)度的數(shù)值一定與通過球面上一塊單位面積表面的某種物理量相聯(lián)系。 以點電荷為中心作一個半徑 為任意的球面,在球面上的每一點處,電場強(qiáng)度的數(shù)值為 。在球面上該點附近取一小塊面積為 的表面,把 稱為通過這塊表面的電通量。顯然,電通量這個概念與噴水器問題中流過一小塊球面的水量有相似的意義。因此,電場強(qiáng)度的數(shù)值就等于通過單位面積球面的電通量 (即電通量面密度)。如果用 表示電通量,則在以點電荷為球心的一個任意球面上,通過面積為 的一小塊球面的電通量就可以寫成現(xiàn)在,對噴水器問題進(jìn)一步提出:在離開噴水器的距離為 處有一小塊面積為 的平面,它與水流的方向有一個夾角 ,我們想要知道單位時間內(nèi)流過這塊平面的水量。為了解決這個問題,以噴水器為起點,向這塊平面作一個錐面,把這塊平面包裹起來。這個錐面在半徑為 的球面上將圈出一小塊面積為 的球面。顯然, 正是 在這個球面上的投影:。在單位時間內(nèi)流過 的水將全部流過 ,而沒有流過 的水則不會流過 。因此,單位時間內(nèi)流過 的水量必定為 。為了將這種情況形象地過渡到電場的問題,以噴水器為起點,向外沿徑向均勻地畫一些放射狀的水流線,水流線的數(shù)目正比于噴水器在單位時間內(nèi)向外噴射的水量 。從剛才的圖象不難理解,通過 面和 面的水流線的數(shù)目相等。 現(xiàn)在把問題過渡到電場的情況,把問題中的噴水器改換成點電荷,水流線則改換成點電荷的電場線,它們也是從點電荷開始沿徑向呈放射狀的射線,電場線的數(shù)目正比于點電荷的帶電量 。引入電場線的數(shù)目這個概念后,從剛才對噴水器問題的討論不難理解,通過 的電通量就等當(dāng)于 (或者說正比于) 通過 的電場線的數(shù)目。利用這種等當(dāng)性容易得到,通過 的電通量等于通過 的電通量:把問題拓展到一般的電場和一般的表面,事情有點復(fù)雜,因為在一般情況下,在一個表面上的每一個點處,電場強(qiáng)度的數(shù)值和方向都不一樣,不能把上面點電荷的電場通過球面的電通量的表達(dá)式照搬過來。對于這種情況,可以將所討論的面分割成許多小片,如果每一小片都很小,以至在它上面的各點處電場強(qiáng)度的數(shù)值和方向都近似相等,就可以借用點電荷的公式得到通過這一小片表面的電通量,再將所有小片的電通量加起來,就得到通過整個面的電通量。假定已經(jīng)將一塊面積為有限的任意形狀的面分割成無窮多片無窮小的面,先來看其中的一小片。對于一片面積為無窮小的面 (稱之為面元),可以近似地將它當(dāng)作一個平面來看待,引入一個叫做面元矢量的概念。一個面元矢量的大小等于這個面元的面積,其方向指向該面元的法線方向:。有了面元矢量的概念,就可以將點電荷電場的電通量概念拓展到一般的電場中。通過一個面元的電通量其中 是電場強(qiáng)度與面元矢量的夾角。于是,在一個一般的電場中,通過一個任意 (任意形狀和任意面積) 面上的電通量就可以寫成其中積分遍及所考慮的整個面。 該如何將一個任意的面分割成無窮多個無窮小的面元,有賴于這個面的具體形狀和所使用的坐標(biāo)系。
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