静电的基本现象和基本规律

23
CGSE制单位制
电量作为基本单位由C-定律定义 令：k=1, q1=q2, r=1cm ,F=1dyn, 则电量q的单位为 1CGSE电量， 1C=3×109CGSE电量
24
法国物理学家，1785 年通过扭秤实验创立库 仑定律, 使电磁学的研 究从定性进入定量阶段. 电荷的单位库仑以他的 姓氏命名.
库仑 (C.A.Coulomb 1736 1806）
9
1 点电荷模型（d r12）
q1 F2 1
r
F2 1
q1
q2
12
F12
r12 q 2
d
F12
点电荷是一个抽象的理想模型。当带电体 本身的线度远比问题中涉及的距离小很多时， 带电体就可近似当成点电荷。
1 静电感应
++
++++ + + + +
感应电荷
3
2 电荷守恒定律
在与外界没有电荷交换的系统内,任一时刻存在于系 统中的正、负电荷的代数和始终保持不变
要点：
电荷的代数和不变性：孤立系统中正、负电荷各自 的量可能发生变化，但其代数和保持不变。例如， 正、负电子相遇转化为两个光子。高能光子经过另 一粒子附近时转换为正、负电子对。 电荷的相对论不变性：孤立系统的电量，与其运动 状态无关，在不同参考系内进行观察，系统总电量 保持不变。
102
1016
20
理论地位和现代含义
库仑定律是静电学的基础，说明了 带电体的相互作用问题
原子结构，分子结构，固体、液体的结构 化学作用的微观本质 都与电磁力有关，其中主要部分是库仑力
静电场的性质
21
fr2 若 0 后果？
静电场的基本定理——高斯定理将不成立
动摇了电磁理论的基础
电磁学
教材：
《电磁学》 第三版
赵凯华、陈熙谋 高等教育出版社
1
第一章 静电场
1-1 静电场的基本现象和基本规律
一 两种电荷
习题：1.1-7
起电：使物体带电
摩擦起电：用摩擦方法使物体带电
带电体：带电的物体
带电体性质：吸引轻小物体
两种电荷：正电荷和负电荷；同种电荷相斥， 异种电荷相吸。
2
二 静电感应和电荷守恒定律
q3
rO3 rO4
q o F0
rO2
q4
q2
14
例1 氢原子内,电子和质子的间距为 5.31011m.
求它们之间电相互作用和万有引力,并比较它们的大小.
解 me9.11031kg e1.611 0C 9
mp1.671027kg G 6 .6 7 1 1 0 N 1m 2k 2 g
1
Fe 4π0
e2 r2
F 12kqr11q 222e 12F 21
SI制
F2 1
k 8 .98 1 9 7 N 0 m 5 2 C 2 5
q1
r12 q 2
F12
12
库仑定律 F 12kqr11q 222e 12F 21
库仑力遵守牛顿第三定律
令 k 1
4π 0
（ 0 为真空电容率）
04 π 1k 8 .85 1 4 1 0 C 2 2 2N 1m 2
宏观和微观过程均适用
4
三 物体的分类
1 导体：电荷能从产生的地方迅速转移或传 导到其它部分的那种物体叫做导体。
2 绝缘体：电荷几乎只停留在产生的地方的 那种物体叫绝缘体。
3 半导体：半导体是介于导体与绝缘体之间 的物体，而且对温度，光照，杂质，压力， 电磁场等外加条件极为敏感。
5
常见导体:金属，石墨，电解液（酸，碱，盐类的水 溶液），人体，地，电离的气体等； 常见绝缘体:玻璃，橡胶，丝绸，琥珀，松香，硫磺， 瓷器，油类，未电离的气体等。
电力平方反比律与m光（静）是否为零有密切关系
m光是有限的非零值？还是一个零？有本质的区别 现有理论以m光=0为前提,若m光不为零 ，后果严重
电动力学的规范不变性被破坏 电荷将不守恒 光子偏振态要发生变化 黑体辐射公式要修改 会出现真空色散，即不同频率的光波在真空中的传播速度不
同，从而破坏光速不变。
因此可以推广到介质、导体
18
点电荷
理想模型 质点 刚体 理想流体 平衡态（热学）
点电荷：忽略了带电体形状、大小以及电荷分布 情况的电荷。
19
适用范围和精度
来自百度文库
原子核尺度——地球物理尺度 天体物理、空间物理 大概无问题
10 13cm ~10 9cm
精度：Coulomb时代
1971年
8 .85 14 1 0 F 2 2 m 1
F 124π10 qr11q 222e 12
13
3 库仑力的叠加原理
实验表明，库仑力满足线性叠加原理，即
多个点电荷同时作用于一个点电荷的力等于每
个点电荷单独作用力之矢量和
q1
rO1
F 0i n1F 0i i n1410qr0 0q 2 ii rˆ0i
8.1106N
FgGmrem 2p 3.710-47N
Fe 2.271039 Fg
（微观领域中,万有引力比库仑力小得多,可忽略不计.）
15
库仑定律的进一步讨论：
成立条件：静止、真空、点电荷
静止：点电荷相对静止，且相对于观察者也静止 该条件可以拓宽到静源——静电荷， 不能延拓到动源——动电荷？ 问题：上述结论是否与牛顿第三定律矛盾？结果 合理吗？
目前最好的m结 1.6果 1047g
22
电量单位 －MKSA制
1库仑：当导线中通过1安培稳恒电流时， 一秒钟内通过导线某一给定截面的电量为
1C=1A·s 若F=1N, q1=q2=1C, r=1m 则 k=8.9880×109N·m2/C2 ≈9.00×109N·m2/C2
k 1
4 0
04 1 k8.8541 (7)8 1 17 1 0C 8 22/1 N8 2m
➢ 电荷量子化是个实验规律。
迄今所知，电子是经实验验证的自然界中存在的
最小负电荷，质子是最小的正电荷。
强子的夸克模型具有分数电荷（ 1 或 2 电子电荷）
但实验上尚未直接证明.
33
➢ 量子化是近代物理的一个基本概念，当研究范 围达到原子线度大小时，很多物理量如频率、能量 也都是量子化的。
7
四 物质的电结构
10
2 库仑定律
q1
F2 1
r
F2 1
q1
q2
12
F12
r12 q 2
d
F12
1785年，法国物理学家库仑用扭秤实验测定了 两带电球体之间相互作用的电力，并在其基础上提 出了两点电荷之间相互作用的规律，即库仑定律。
11
在真空中，两个静止的点电荷之间的相互作用 力，其大小与其电量的乘积成正比，与它们之间距 离的平方成反比 。作用力的方向沿着两个点电荷的 连线方向.同号电荷相斥，异号电荷相吸。
物质是由分子，原子组成的，而原子又 由带正电的原子核和带负电的电子组成。原 子核中有质子和中子，中子不带电，质子带 正电。一个质子所带电荷和一个电子所带电 量数值相等。如果用e代表一个质子的电量， 则一个电子的电量就是-e。
自由电荷：可以自由移动 束缚电荷：只能在一个原子或分子范围内作微小位移
8
五 库仑定律
电荷量子化
* 1897年J.J.汤姆逊从实验中测出了电子的比荷。
* 1913年R.A.密立根从实验中测定所有电子都有相 同的电量，带电体的电量是电子电荷的整数倍；
电子电荷 e1.6012 0 1C 9
带电体电量 q ne ( n 1 , 2 , 3 , )
6
➢ 电荷只能取离散的、不连续的量值的性质，叫 做电荷的量子化。电子电荷的绝对值 e 称为元电荷。 或称作电荷的量子。
16
被作用者静止， 满足牛三
被作用者运动，不满足 牛三
▪看上去与牛三矛盾
▪实际上正说明电荷间有第三者——场，
▪前者电荷静止，场的动量不变——作用力对等
▪后者场的动量发生变化，作用力不对等
17
真空条件
作用：为了除去其他电荷的影响，使两个 点电荷只受对方作用。
如果真空条件破坏会如何？——不仅只有 两个电荷；总作用力比真空时复杂些，但 由于力的独立作用原理，两个点电荷之间 的力仍遵循库仑定律