背後的物理
每一個點電荷產生的電場與電位,依疊加原理相加:
\[ \vec{E}(\vec{r}) = \sum_i \frac{k\,q_i\,(\vec{r}-\vec{r}_i)}{\left|\vec{r}-\vec{r}_i\right|^{3}} \]
\[ V(\vec{r}) = \sum_i \frac{k\,q_i}{\left|\vec{r}-\vec{r}_i\right|} \qquad \vec{E} = -\nabla V \]
\[ k \approx 8.99\times 10^{9}\ \mathrm{N\cdot m^{2}/C^{2}} \]
觀察重點
- 電力線條數與電量成正比(高斯定律):把 A 改成 \(+4\ \mathrm{nC}\)、B 改成 \(-2\ \mathrm{nC}\),數數看終止在 B 的線少了多少,多出來的線跑到哪裡去?
- 電力線處處垂直於等位線,且沿電力線方向電位下降。
- 等量同號電荷的中點電場為零,但電位不為零;電偶極的中垂線上電位為零,但電場不為零。
- 釋放試探電荷時,動能 + 電位能保持定值,即 \(K + qV = \text{定值}\)(力學能守恆)。注意:試探電荷不會沿著電力線走,因為它有慣性。
3D 檢視:空間中的等位面與電力線
真實的電荷在三維空間中。按「3D 立體」,2D 畫面就變成穿過電荷的 z = 0 平面(\(z\) 軸垂直於紙面)。空間中任一點的電位是
\[ V(x, y, z) = \sum_i \frac{k\,q_i}{\sqrt{(x-x_i)^{2} + (y-y_i)^{2} + z^{2}}} \]
- 等位「線」其實是等位「面」。2D 畫面上的每一條虛線,都是一個包住電荷的封閉曲面被 z = 0 平面切開的截面。按「剖半看內部」拿掉平面上方的一半,等位面的切口正好落在 2D 的等位線上。
- 電力線從正電荷向空間中的四面八方發出,並且處處垂直穿過等位面,因為 \(\vec E = -\nabla V\)。
- 在 3D 中,穿過(與電力線垂直的)單位面積的電力線條數正比於 \(E\),這就是高斯定律;平面的 2D 圖只畫出一個平面上的線,只能大致呈現這件事。
- 兩個電荷時,整張圖對 A、B 連線呈軸對稱:3D 的等位面就是 2D 的等位線繞這條軸旋轉一圈。電偶極的 \(V = 0\) 等位面是 AB 的中垂面;不等量異號電荷時,它變成包住電量較小那個電荷的球面。等量同號電荷的等位面隨電位降低,從兩個分開的泡泡合成一個「花生」形。
- 試探電荷一直留在 z = 0 平面上:由對稱性,那裡的電場沒有 \(z\) 分量。
模擬方法
- 電力線:從電荷出發,以四階 Runge–Kutta 法沿電場方向逐步描線,每條線的出發角度平均分配。
- 等位線:在格點上計算電位,再用 marching squares 演算法找出等值線;電位等級取 \(\pm 100,\ \pm 200,\ \pm 400,\ \ldots\ \mathrm{V}\)。
- 試探電荷運動:自適應步長的 velocity-Verlet 積分,靠近電荷時自動縮小時間步長以維持能量守恆。
- 試探電荷只用來量測,不會反過來推動場源電荷(場源電荷固定不動)。
- 3D 檢視:每個電荷在距離 \(r\) 處的電位與電場,用與 2D 相同的物理程式計算,再在三維空間中疊加。在 3D 格點上計算電位(間距 0.125 cm,拖曳滑桿時暫用 0.25 cm),以「surface nets」方法(marching cubes 的同類方法)找出與 2D 等位線相同等級(\(\pm 100,\ \pm 200,\ \pm 400,\ \ldots\ \mathrm{V}\))的等位面,每個頂點再用牛頓法移到精確的曲面上,光影的法向量就是 \(\vec E\) 的方向。電力線從電荷周圍小球面上平均分布的起點出發(Fibonacci 螺旋,每 nC 8 條),以 Runge–Kutta 法描線。畫面對 z = 0 鏡面對稱,平面下方的一半以鏡像畫出。3D 區域為 12 cm × 8 cm × 8 cm,等位面在邊緣附近淡出;電荷小球的大小只是示意。
- 3D 檢視使用 three.js 函式庫(MIT 授權),只有切換到 3D 時才會下載。