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其他 標題:ESTC守恆03 - 平行電板之電位能
1:jakechan(研究所)張貼:2008-12-26 13:44:37:

ESTC 守恆 03 - 平行電板之電位能

一、引言

本單元嘗試以熱力學定律、作功 - 能量轉換、靜電能等觀念,討論兩平行帶電板,中間放置電荷 q 組成之系統,電荷受外力作用,的作功 - 能量轉換過程。引入 ESTC 守恆理論中,時間與空間架構,以能量子 (Entron) 函數,探討能量在時空座標的存在及分布的推論及詮釋。

二、裝置構造

設有兩片平行電板 A 、 B ,兩電板長度 L ,電板間的距離 G 。 A 板帶正電荷 Q0 放置原點 O , B 板帶負電荷 Q0 放置距離原點 G 處,電場 E 指向 +X 方向,中央空間每一點電場強度 E 相等,將電荷 -q 放置於兩電板中間。電板 AB 及 q 電荷稱為 ABq 系統。

    +| ←―— G ―—→ | -

A +|          ☉ -q             | - B

    +|           x1      x2      | -

三、 ABq 系統特徵

( 一 ). 電板 AB 所帶的電荷為剛性分布,不受外界影響而移動位置。

( 二 ). 設距離 q 質心範圍 R ,在這空間範圍內的總靜電能量達到 99.99% 。

( 三 ). 取兩電板 AB 間距離 G = 8R ,分四個區 G1 ~ G4 ,每個區長 2R 。電荷 -q 在 G2 與 G3 間移動,並且 G1 、 G4 兩區域空間,因電場強度改變,所導致的靜電能改變量,相對於整個功能轉換靜電能總量,可以忽略不計,避免影響整個討論。

四、功 - 能轉換過程

兩個過程 (A) 外界作功轉換成電位能 U 。 (B) 電荷 q 因靜電斥力而加速運動。

( 一 ). 物理學的觀點

(A) 外界作功轉換成電位能 U

設根理想絕緣棒 C ,施力 F ,推動電荷 -q 反抗電場 E ,在不加速情況下由 x1 處移向 x2 位移 d ,外力 F 所輸入的功如式 (1)。

引入熱力學觀念,令 外力 F 所輸入的功 W12 = Q

W12 = F•d = - qEd ------------------ (1)

所做的功轉換成 ABQ 系統電位能,其間電位差。

V2 - V1 = W12 / q = - Ed ------------------ (2)

傳統電學理論認為外力作功,轉換成 ABq 系統的電位能 U ,能量儲存在兩平行電板間的電場 E_AB 內,電場強度越強儲存的能量越多。

(B) 電位能 U 轉換成動能 Ek

移走絕緣棒 C ,則電荷 q 受 A 、 B 兩帶電板電場 E 的作用,加速運動移動距離 d 。系統 ABQ 的電位能 U ,轉換成為電荷 q 的動能 Ek

Ek = - qEd ------------------ (3)

也就是儲存在電場 E_AB 內的能量,轉換成電荷 q 的動能 Ek 。

五、電場合成

現在取電荷 -q 質心 Oq 為觀察座標,將 q 分為 +X 及 -X 兩個區域。從電場的合成這個角度,來看整個過程的能量守恆狀況。將這兩個區域,分別切割成 n 個子空間 (n=1.2…i) ,每一個子空間有其對應的電場。

因為電荷 q 電場 E_q 電場方向指向 q 質心,所以每一個子空間電場又可分解成 X 、 Y 座標方向的電場 E_qx 、 E_qy ,與平行電板電場 E_AB( 指向 +X 方向 ) ,所以在 X 方向的電場會因合成而有增減。

( 一 ). +X 區電場

E_AB 電場指向 +X 方向, E_q 電場指向 -X 方向,兩者互相抵消,所以整個區每一點,電場強度有增有減。

( 二 ). -X 區

E_AB 電場指向 +X 方向, E_q 電場指向 +X 方向,兩者相加,所以整個區每一點電場強度都增加。

定義以電荷 -q 為原點座標取距離 2R ,體積 V = 2R^3 的空間稱為 Gq 。電荷 -q 的移動表示 Gq 空間在 ABq 系統內移動,只要不過於靠近電板 A 、 B ,則電荷 -q 的電場 E_q ,對電板 AB 的影響可以忽略。

六、絕對能量 Qq

藉熱力學定律定義 Q 稱為絕對能量,代表各類型能量或功的總值。將每一區的子空間,計算靜電能並加總,可以得到 +X 區為 Q1 ,及 -X 區為 Q2 ,則總絕對能量 Qq = Q1 + Q2 。

七、 ABq 系統靜電能分析

整個 ABq 系統分為 G1 到 G4 四個區域,代表電荷 -q 的 Gq 空間在 ABq 系統內移動,整體來說可視為所在空間不同,但是其個別子空間的電場合成模式是固定的,並不因電荷移動而產生改變。如果從電場強度儲存靜電能的角度來看,推論不會造成整個 ABq 系統,的總靜電能 Q_ABq 改變。

八、能量守恆分析

根據 ABq 系統靜電能分析,延伸出一個問題,絕緣棒 C 推動電荷 -q 作功 W12 = Q ,輸入絕對能量 Q ,轉換成靜電位能 U ,照傳統物理靜電能的概念存在電場中。因著 AB 平行電板的電荷為剛性分布,並非如電容器般可以充放電,讓板間的電場 E_AB ,因電荷增減而改變。根據能量守恆來看,作功輸入的絕對能量 Q ,並未轉換及儲存成電場型態的靜電能,那能量去向為何 ?

同理,電荷 -q 受 E_AB 電場作用加速運動, G1 到 G4 四個區域只是電場分布模式改變,據以計算個別子空間的電場,儲存的總靜電能 Q_ABq 也未增減,那動能 Ek 從何處轉換而來 ?

九、 ESTC 守恆觀點

根據 ESTC 守恆引入 En 時空函數,描述系統的功能轉換,能量存在的時空位置及型態。絕緣棒 C 施外力推動電荷 -q 作功 W12 ,如果將功 W12 代以能量子函數 En(Ec,S,F) 表示如下。

W12 = Q = Σ En(i,Si,F) ----( i = 1,2,3……n) ------- (4)

(A) 外界作功轉換成電位能 U ,整個過程可以分為兩個子過程。

1. 絕緣棒對 q 施力 F ,藉由功 - 能轉換, Q 從 C 流入 q 的時空範圍。

ΣEn(i,Sc,Fc) è ΣEn(i,Sq,Fq)

En 符號說明如下

En 在絕緣棒 C 的時空 Sc 座標,及能量型態 Fc

En 存在電荷 q 的時空 Sq 座標,及能量型態 Fq

2. 電荷 q 與平行電板電場作用, Q 從 q 的時空進入 ABq 系統時空。

ΣEn(i,Sq,Fq) è ΣEn(i,S_ABq,F_ABq)

既然前面的討論 ABq 系統空間,整個系統的合成電場 E_ ABq ,並未儲存能量,所以根據能量守恆推論,假設這些絕對能量 Q 去向如下:

( 一 ). 依附基本粒子存在

絕對能量 Q 在功能轉換過程中,沿著時變場的路徑,進入所有帶電荷的基本粒子內,以某種未知型態或方式儲存。 ( 包含平行電板 AB 電荷,以及自由電荷 -q) 。

( 二 ). 第五維空間隱藏

絕對能量 Q 在功能轉換過程中,沿著經過的路徑,進入第五維空間成為隱藏的黑暗能量,即第五維空間是儲存能量子的大水庫。

九、結論

在宇宙空間內隨意選取一個帶電荷的基本粒子,討論其受靜電力作用進行功能轉換。以能量守恆及 ESTC 守恆觀點來看,如果沒有現有定律、理論或邏輯上的錯誤,有一些現象是現有物理學未曾發現到的。本文的內容摘要如下:

1. 基本粒子因著電荷 q ,對周圍空間狀態的改變表現為靜電場 E ,並且靜電場並不儲存靜電能,但電場與時變場是能量進行轉換的關鍵因素。

2. 帶電荷的基本粒子,因庫倫定律與其他系統進行交互作用,會以一些未知狀態或方式,讓能量依附或存在;可能是以粒子的磁矩,以另一方向的自旋,及質量自旋效應來儲存能量。

3. 就能量大水庫的說法,涉及另一個境電位能 U 轉換動能 Ek 的過程,尚未完整思考,不以庫倫定律,而以熱力學 熱第二定律 解釋,電位能為何會轉移成動能的原因。

[ 這篇文章被編輯過: jakechan 在 2008-12-26 19:23:08 ]

[ 這篇文章被編輯過: jakechan 在 2008-12-30 18:23:06 ]
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