电磁学课件第一章

1.4 物质的电结构
§ 1静电场的基本现象和基本规律
由于空穴的存在，临近共价键中的价电子很 容易跳过去填补这个空穴，从而使空穴转移 到临近的共价键中去，而后，新的空穴又被 其相邻的价电子填补，这一过程持续下去， 就相当于空穴在运动。 带负电荷的价电子依次填补空穴的运动与带 正电荷的粒子作反方向运动的效果相同，因 此我们把空穴视为带正电荷的粒子。可见， 半导体中存在两种载流子，即带电荷+q的 空穴和带电荷–q的自由电子。

§ 1静电场的基本现象和基本规律
1.2 静电感应 电荷守恒定律
静电感应
§ 1静电场的基本现象和基本规律
1.3 导体、绝缘体和半导体
按照电荷在其中是否容易转移或传导，习惯上 把物体分为： ⑴电荷能够从产生的地方迅速转移或传导到其 它部分的物体，叫做导体； ⑵电荷几乎只能停留在产生的地方的物体，叫 做绝缘体； ⑶导电能力介于导体和绝缘体之间的物体，叫 做半导体。
1.4 物质的电结构
§ 1静电场的基本现象和基本规律

同理，可知P型半导体。 当N型和P型半导体结合起来，可以制成 各种半导体器件。如晶体二极管、晶体 三极管等。它们是现代电子技术中有着 广泛的应用。
1.4 物质的电结构
§ 1静电场的基本现象和基本规律



在热力学温度零度和没有外界能量激发时，价 电子受共价键的束缚，晶体中不存在自由运动 的电子，半导体是不能导电的。 当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的 影响，某些共价键中的价电子获得了足够的能 量，足以挣脱共价键的束缚，跃迁到导带，成 为自由电子，同时在共价键中留下相同数量的 空穴（空穴是半导体中特有的一种粒子。它带 正电，与电子的电荷量相同）。 把热激发产生的这种跃迁过程称为本征激发。 显然，本征激发所产生的自由电子和空穴数目 是相同的。
1.4 物质的电结构
§ 1静电场的基本现象和基本规律
4. 束缚电荷：在绝缘体中，绝大部分电荷都只能 在一个原子或分子的范围作微小的移动。这种 电荷叫束缚电荷。 5. 载流子：在半导体中导电的粒子叫做载流子。 带正电的叫“空穴”，带负电的仍为电子。当半 导体中多数载流子是电子时，称为N型半导体； 当多数载流子为空穴时，称为P型半导体。
1.5 库仑定律
一 点电荷模型 d （
r ）
q1
F21
q1
r12
忽略了带电体形状、大小 12 以及电荷分布情况的电荷。
F21
二 库仑定律
r12
F12
q2
q2
d
F12
（1.1） p6
q1q2 F12 k 2 e12 F21 r12
1 q1与q 2同号时，F12沿e12 方向，即为排斥力； ） 2 q1与q 2异号时，F12沿e12反方向，即为吸引力。 ）
电荷特性
1 q 3 e 夸克 2 q e 3
19
1、电荷的量子性 电子电量 e 1.6 10
C
宏观物体带电量 e 的N（整数）倍。（密立根油滴实验证明） 1964年由加利福尼亚理工学院的科学 家们首先提出的假设中夸克的存在。
N是否为整数？ 即有没有分数 电荷？
q2 q1
r01 r02
q0
F1 F2
F
1.5 库仑定律
§ 1静电场的基本现象和基本规律
库仑定律是直接从实验总结出来的规律，是静 电场理论的基础。库仑定律与牛顿万有引力定律 类似，也不是超距作用。按照现代物理学的观点 ，相互作用是由场以有限速度传播的。 库仑定律和万有引力定律都是平方反比规律， 从数量级上比较，引力要弱得多，在氢原子内， 电子和质子之间的静电力与万有引力的比值为 2.26× 39。 10
1.4 物质的电结构
§ 1静电场的基本现象和基本规律
摩擦起电和静电感应就是施加一定的外 部作用，使某一物体(或物体的一部分)得到 (或失去)一定数量的电子，使电子总数多于 (或少于)质子总数，从而使该物体(或物体 的一部分)带负(或正)电。
1.4 物质的电结构
§ 1静电场的基本现象和基本规律
基本概念
+
--
q1
+
q2
q0
q3 +
F dFi
V
连续带电体
i 1
1.5 库仑定律
§ 1静电场的基本现象和基本规律

叠加性
q0 qi F k 3 r0i i r0i
当空间有两个以上的点电荷时， 作用在某一点电荷上的总静电 力，等于其它各点电荷单独存 在时对该点电荷所施静电力的 矢量和。这是静电力的叠加原 理。

+
电荷为Q
电子对产生
3、电荷相对论不变性
一 电荷为Q 个电荷的电量与它的运动状态无关。 这叫做电荷的相对论不变性。 +++ 这个结论告诉我们，不同的参照系对同 一个电荷的电量的描述是完全一样的。比如 电荷为Q到哪儿都是一样的。
1.2 静电感应 电荷守恒定律
§ 1静电场的基本现象和基本规律
守恒定律电荷
1966年我国科学家提出了层子模型， 认为层子是带电量为e的分数倍。 1967年美国三位科学家在实验室第一 次找到了夸克的踪迹。
23年后得到承认，于1990年获得诺贝 尔物理奖。
1909年密立根通过直接测量油滴 的电荷，直接证实了电荷的量子 性。

带电油滴滴入匀强电 场
F电 F重
油 空

§ 1静电场的基本现象和基本规律
1.5 库仑定律
当带电体的形状和大小与它们之间的距离相比 允许忽略时，可以将带电体看作点电荷 。 1785年库仑(Coulomb)从扭秤实验结果，总结 出点电荷之间的相互作用力所满足的规律，这 就是库仑定律。
1.5 库仑定律
§ 1静电场的基本现象和基本规律

库仑定律 在真空中，两个静止点电荷之间的相互作用 力与它们的电量的乘积成正比，与它们之间距 离的平方成反比。作用力的方向沿着它们的联 线，同号电荷相斥，异号电荷相吸。
§ 1静电场的基本现象和基本规律
电荷的量子性
迄今为止，尚未在实验中找到自由状态的 夸克。现在，分数电荷仍是一个悬而未决的 命题。不过即使分数电荷存在，仍然不会改 变电荷量子化的结论，只不过新的基本电荷 是原来的1/3而已。
2、电荷守恒定律 ——电绝缘系统中，电荷
+

的代数和保持常量。
电子对湮灭

1.4 物质的电结构
§ 1静电场的基本现象和基本规律
在没有外加电场作用时，载流子的运动是无规 则的，没有定向运动，所以形不成电流。 在外加电场作用下，自由电子将产生逆电场方 向的运动，形成电子电流，同时价电子也将逆 电场方向依次填补空穴，其导电作用就像空穴 沿电场运动一样，形成空穴电流。 虽然在同样的电场作用下，电子和空穴的运动 方向相反，但由于电子和空穴所带电荷相反， 因而形成的电流是相加的，即顺着电场方向形 成电子和空穴两种漂移电流。
F12 1 q1q2 e12 2 4π 0 r 12
1 q1q2 ˆ F r 2 4 0 r
注意: 适用条件 真空(空气也可）中两相对静止的点电荷 库仑力遵守牛顿第三定律 库仑力满足矢量叠加 原理 点电荷 系
n F F1 F2 Fi
1.5 库仑定律
物质内部固有地存在着电子和质子这两类 电荷正是各种物体带电过程的内在根据。
1.4 物质的电结构
§ 1静电场的基本现象和基本规律
在正常情况下，物体中任何一部分所 包含的电子的总数和质子的总数相等，对 外不显电性。如果在一定的外因作用下， 物体（或其中的一部分）得到或失去一定 数量的电子，使得电子的总数和质子的总 数不再相等，物体就呈现电性。
qE


(油 空）gV
q 8.0261019 C
q ne
使油滴带不同电量，重复测量得油滴所带电量 总是一个最小电量e的整数倍 直接证实了电荷的量子性 1986年e的推荐值为
e 1.6021773346) 1019 库仑 (
夸克的发现者



弗里德曼，美国物理学家，与下面两位物理学家 合作发现了质子和中子有内部结构，通过实验首 次证明夸克的存在，于1990年获奖。 肯德尔，美国物理学家，被诺贝尔评议委员会誉 为“对物质认识的突破成就”。他们证实了1964 年由加利福尼亚理工学院的科学家们首先提出的 假设中夸克的存在。 泰勒，加拿大物理学家，同美国物理学家一起用 实践证明了夸克的存在，他们进行了一系列证实 质子和中子由夸克构成的实验，夸克现在被普遍 认作构成物质的基本单元，这个发现对当前的物 质及其相互作用的理论描述的形成，至关重要。

静电的基本现象和基本规律 电场 电场强度 高斯定理 电位及其梯度 静电场中的导体 静电能 电容和电容器 恒定电流场
作业

思考题

1-1，1-3，1-4
习题

1-2，1-4，1-6
§ 1静电场的基本现象和基本规律
1.1 两种电荷 1747年富兰克林发现了电。物体 所带的电荷有两种，分别称为正电 荷、负电荷。同号电荷相斥，异号 电荷相吸。电荷可以由摩擦起电、 静电感应产生。历史上约定：用丝 绸摩擦的玻璃棒带正电，用毛皮摩 擦的塑料棒带负电。
电荷既不能被创造，也不能被消灭，它只 能从一个物体转移到另一个物体，或者从 物体的一部分转移到另一部分，也就是说 ，在任何物理过程中，电荷的代数和是守 恒的。
电荷守恒定律适用于一切宏观和微观过 程，是物理学中普遍的基本定律之一。
1.4 物质的电结构
§ 1静电场的基本现象和基本规律
电荷的相对论不变性
§ 1静电场的基本现象和基本规律
1.3 导体、绝缘体和半导体