当前课程知识点:电动力学(上) > 第二章 静电场和稳恒电流的电磁场 > 2.7 静电场的能量 > 相互作用能
好 下面我们就从这个
这是真空中的两团电荷
现在讨论静电场
静电场用这个电荷
来去描述它的这个能量
和这个场是等价的
整个这个体系的总的电场的能量
是这个表达式
注意这两团电荷是一个电荷分布
这不是两团电荷
是一团电荷然后计算这个能量
这一团电荷我可以分成
看成是两团电荷的叠加
没关系吧
就是ρ等于ρ1加ρ2 加出来
那么按这个
这个里面的ρ就写成ρ1加ρ2
那这个里边w你会发觉
也可以把它代进去
代进去你写出来
这里面因为是二次的
就写出来有四项
两个都是ρ1的
两个都是ρ2的交叉项
这两个交叉项可以证明
你把r和r'换一下
证明这两项是一样的
这一项是什么
就是这两团电荷合成一团里面的
只有第一团电荷在的时候的能量
这个是只有第二团电荷在的能量
所以这个应该叫 我们叫w1
就是只有第一团在的
这个是只有第二团在的时候
那么总的能量
这两团电荷合在一起发觉
和它们分别在的时候的能量
两个加起来并不相等
差的什么东西
差一个这个东西
那么差的这个东西
就叫相互作用能
因为差的东西和1有关和2有关
那它们俩相互之间的
叫相互作用能
这个相互作用能这一块
这两项是一样的
所以本来这是8就变成这是4
就写成这个样子
就是一个是1 一个是2
那么2和这个r
还有这个积分合起来
就可以变成是第二团电荷
在第一团电荷在的那个位置
产生的电势
或者是1和这个R
和这个积分合起来
可以是第一团电荷
在第二团电荷内产生的电势
这个相互作用能
就有这么一个表达式
就是说ρ1和另外一团电荷
相互作用
就是第一团电荷
在另外一团电荷产生的
这个势场里面
这么一个积分
或者是第二团电荷
在第一团电荷里面的一个势场
一般的这个一团电荷
和一个所谓外场
就是另外的电荷
产生的那个相互作用
就是这个式子推广成一般的
就是这个φ不是这团电荷产生的
是其他的电荷产生的势
它在这个外场里边的相互作用能
就是这个
就是从这个式子来
这就是我们要讨论的相互作用能
那么这是一般的电荷分布
在外场里面
如果这个电荷是一个点电荷
就是一个δ函数
一个q乘上一个δ函数
这个积分就积出来了
积出来就是q乘上φ
所以点电荷在外场中的能量
就是这个表达式
这也是我们通常说的静电的
那个势能 静电位能
就是这个表达式
从这个一般的相互作用能
就从这儿出
就是点电荷在外场中的能量
实际上就是我们以前经常说的
这个点电荷的这个势能或者位能
好 在这个能量里面很重要的
是有一个总的能量
不等于分别的两个组分的
能量的叠加
中间还差了一个东西
叫相互作用能
在这里边来去说的
在我们的物理学里面
这个先不说能量 先说质量
质量里面有一个不那么著名的
所谓牛顿第零定律
是这个得2004年诺贝尔奖的
弗朗克·韦尔切克提出来的
他提出来在我们日常生活里面
一个这个物质的质量叫m
劈成两半
分别的质量叫m1 m2
那么日常生活中就会发觉
有一个m等于m1加m2
比如说你到这个副食店
去买一块肉 他给你切开
那很重要的是总的
等于两个的分别的相加
这个经常在用
这种相加的关系
质量的这种相加关系
叫做牛顿第零定律
按我们质量和能量
爱因斯坦的智能关系
质量的这个相加
实际上就相当于能量的相加
就是说总的质量
等于它的组分的质量的叠加
那么换成能量呢
就是总的能量
等于组分的能量的相加
但是我们看到对电磁场
至少对我们刚才的静电场
总的能量不等于
组分的能量的相加
还多了一个东西
所以牛顿第零定律对我们的
至少对我们的电磁场
是不成立的
OK
而且在现实的里面
这个相互作用能经常会是负的
负的是什么意思
就是总的这个能量
比这个两个单独的简单拼起来
就是两个加拼起来
就是能量就相加嘛
比拼起来能量要低
对这样的体系
就是两个拼起来
就是合起来的这么一个体系
和简单的拼起来的这个能量
合起来的这个体系的能量更低
就是这个是小于0的情况
这样的体系叫束缚态
因为我们的物理体系
总是倾向于选能量最低的状态
如果它们合在一起的话
最后能量比简单的
这两个相加要低的话
它就倾向于合在一起
那么这就是我们通常的束缚态
就有这样的性质
就是它的束缚态它是
它里面的那个组分的能量
简单相加
比这个它束缚态自己的能量要高
所以它更倾向于在这个连在一起
因为它的能量低
那么你如果是说这个是正的话
或者是这个是0 或者是正的话
那这个尤其是正的
那倾向于跟
它就倾向于分开了
就变成是两个独立的组分
因为能量高嘛
它往低了去
要是零的话简单就是两个相加
那它分开和不分开随便了
因为这个能量是一样的
在我们宏观世界里面
很多的情况
就是我们日常生活
很多的经验就是
牛顿第零定律成立
就是说这个东西等于0
没有相互作用能
这是刚才我举的那个例子
但是我们会发觉
到了微观世界越到越小的时候
这个东西越重要
而且可能会越大
那么因此它告诉我们
这个组分之间的相互作用
到微观领域起非常非常重要的
这个作用
那么有一种说法是说
当这个相互作用能的大小
和这个不管是正负
和这个东西是差不多一个
一个尺度的时候
这个体系可能就是相对论性的体系
你自己看一看
你们处理的这个体系
当然这里面要这个是负的话
这就是束缚态
还有因为到这个微观的时候
我们说这个越来越大
如果这个非常大的时候
你如果是负的 非常大的时候
这个可能我们说这是一个束缚态
又是一个相对论的体系
那么你去解这个里面的
通常比如说你要是量子体系
解一个这个schrodinger方程
来去解这个束缚态
会有什么样的情况
会发觉当这个非常大的时候
这个构成的这个态的
这个不同的组合
构成的这个态之间的能级差
就会非常大
因为它们差的通常就是
和这个是一个量级的
这个能级差非常大呢
就导致你这个不同的态之间
你说是 它是同一个基本的组分
不同的组合
这一下好像就很难鉴别
在这个物理的实验上
经常把这个同一个组分
不同的组合构成的
但是在物理上
通常都把它们叫成不同的例子
不同的物体 是这么着
就是不同的态
它们叫成不同的物理上
看到的东西
在这个物质的不同的层次
比如说原子分子的层次
到核的层次
到基本粒子的层次
实际上都是有一些具体的理论
专门去研究这个部分
这是物理学的非常重要的
研究的一个内容
这是我们特别把这个相互作用能
提出来
本来这个只是我们静电场的
能量里边的一个特殊的一部分
但是后面我看到
对磁场的能量也是一样
也有类似这样的
就是对这种基本的相互作用体系
这个相互作用能总是存在的
-概论
--video
-四个问题
--四个问题
-教学大纲
--Video
-绪论作业
--绪论作业
-0.1 矢量分析
--矢量的直观定义
--矢量间的点乘
--矢量间的叉乘
--三角形的边与角
--空间转动与矢量
-0.2 场论
--场的定义
--场的微分性质
--梯度的线积分
--散度的体积分
--旋度的面积分
-0.3 δ函数
--一维空间δ函数
--三维空间δ函数
-0.4 曲线坐标
--柱坐标
--球坐标
-0.5 亥姆霍兹定理
--亥姆霍兹定理
-第零章 数学准备--0.6第零章作业
-1.1 电磁相互作用的源和场与真空中的基本实验定律
--电磁相互作用的源
--电磁相互作用的场
-1.2 真空中电磁相互作用的场方程
-1.3介质中电磁相互作用的场方程
--物质的电磁性质
--电磁场的边值关系
-1.4电磁相互作用能量动量的转化与守恒
--动量转化与守恒
--电磁能量传输
--张量力与辐射压力
-第一章 电磁现象的普遍规律--1.5第一章作业
-2.1 静电势及其微分方程
--非极值定理
-2.2 唯一性定理及其应用
--静电唯一性定理
-2.3 拉普拉斯方程-分离变量法
--齐次与非齐次方程
--球坐标,柱坐标
--球坐标例1
--柱坐标例1
--球坐标例2
-2.4 镜像法
--基本思想
--例1、2、3
--例4
--例5
-2.5 保角变换
--二维场论
--二维拉普拉斯方程
--例子
-2.6 格林函数
--一般情况
--边值问题
--例子
-2.7 静电场的能量
--静电场的能量
--相互作用能
--汤姆森定理
-2.8 稳恒电流的电场
--恒定电流的电场
--例1
--例2
-2.9 稳恒电流的磁场
--矢量势及其方程
-2.10 磁场问题的一般解法
--无传导电流无剩磁
--无传导电流有剩磁
--有传导电流
--磁镜像法
-2.11 多极展开
--一般讨论
-第二章 静电场和稳恒电流的电磁场--2.12第二章作业