库伦定律 静电力叠加原理

第6章 静电场
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6.1 库伦定律 静电力叠加原理
电磁学理论的形成是物理学史上的一次大综合
库仑定律：
电荷与电荷间的相互作用
（磁极与磁极间的相互作用）
奥斯特的发现： 电流的磁效应，安培发现电流与电流 间的相互作用规律.
法拉第的电磁感应定律： 电磁一体
麦克斯韦电磁场统一理论（19世纪中叶）
赫兹在实验中证实电磁波的存在，光是电磁波.
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电荷守恒定律
6.1 库伦定律 静电力叠加原理
关于电荷
1．电荷不能脱离其电场而单独存在； 2．电荷不能脱离其质量而单独存在； 3．电子电荷分布的最小范围：r<1×10-18m。 4．一个电荷的电量与它的运动状态无关，即系统所
带电荷与参考系的选取无关。
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6.1 库伦定律 静电力叠加原理
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6.1 库伦定律 静电力叠加原理
电荷的量子化
实验证明，在自然界中，任何带电体的电量只可能是 某一基本单元的整数值。
1897年J. J. 汤姆孙测量了 阴极射线粒子的电荷与质量之 比，发现了电子；1913年R.A. 密立根通过油滴实验得出带电 体的电荷:
q ne(n 1,2,3,)
电子电荷 e 1.6021019 C
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6.1 库伦定律 静电力叠加原理
电荷的量子化
电荷的这种只能取离散的、不连续的量值 的性质，叫作电荷的量子化。
本章所涉及的带电体的电荷往往是基本电 荷的许多倍，这时只从总体效果上认为电荷是 连续地分布在带电体上的，而忽略了电荷量子 化引起的起伏。
实验表明，自然界中只存在两种电荷：
正电荷（如：丝绸摩擦过的玻璃棒所带电荷） 负电荷（如：毛皮摩擦过的硬橡胶棒所带电荷）
同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引。
正常情况下，每个原子核所包含的电 子数和质子数相等 ，物体对外呈电中性， 通过摩擦、感应可使物体（局部）带电。
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6.1.1 电荷
6.1 库伦定律 静电力叠加原理
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6.1 库伦定律 静电力叠加原理
2、库仑定律（Coulomb Law）
假设两点电荷的电量分别为q1、q2，由
电荷q1指向电荷q2的位置矢量为r ，则电荷q2
受到电荷q1的作用力（又称库仑力）:
F
1 4πε0
wenku.baidu.com
q1q2 r2
er
q1
er
r
q2
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6.1 库伦定律 静电力叠加原理
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6.1 库伦定律 静电力叠加原理
2、库仑定律（Coulomb Law）
1785年，法国物理学家库仑利用扭秤实验直 接测量了两个带电球体之间的作用力。库仑在实 验的基础上，提出了两点电荷之间相互作用的规 律，即库仑定律：
库仑定律：在真空中，两个静止的点电荷之 间的相互作用力，其大小与点电荷电量的乘积成 正比，与两点电荷之间距离的平方成反比，作用 力在两点电荷之间的连线上，同号电荷互相排斥， 异号电荷互相吸引。
6.1.2 库仑定律
库仑 (C.A.Coulomb 1736 1806）
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.
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6.1 库伦定律 静电力叠加原理
6.1.2 库仑定律
1、点电荷
点电荷是一个理想化的物理模型，当两 个带电体本身的线度比它们之间的距离小 得很多时，带电体可近似地当作点电荷， 即不考虑其大小和形状。
2020年7月13日星期一
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库仑定律
6.1 库伦定律 静电力叠加原理 万有引力定律
电荷之间相互作用力
F
1
4 0
q1q2 r2
er
万有引力
F
G
mM r2
er
系数： k 1 9.0 109 Nm2C 2
4 0
方向：
同性电荷相斥， 异性电荷相吸。
引力常量： G 6.67261011 N m2 kg-2
1 4πε0
q1q2 r2
方向： q1和 q2同号相斥，异号相吸.
q1
er
r
q2
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6.1 库伦定律 静电力叠加原理
库仑定律是一实验定律,其精确性 已经受了各种检验,它在原子尺度内也 是适用的,可正确描述电子与原子核间 的作用力,而且对于原子结合成分子, 原子、分子聚合成固体、液体的力也 可给出正确说明.
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6.1 库伦定律 静电力叠加原理
电荷守恒定律
假如一个系统中有两个电中性的物体，由于某些 原因，使得一些电子从一个物体移动到了另一个物体 上，则前者带正电，后者带负电，但两物体正负电荷 的代数和仍为零。
内容：不管系统中的电荷如何迁移，系统的电荷 的代数和保持不变。
说明：电荷守恒定律是自然界的基本守恒定律之 一，无论在宏观领域，还是在微观领域都是成立的。
方向：相互吸引
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6.1 库伦定律 静电力叠加原理
例 在氢原子内,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 me 9.110 31kg e 1.6 1019 C
mp 1.671027 kg G 6.67 1011N m2 kg2
例如： 地球质量: m = 5.98×1024 kg 地球电量：q ~ 105 C
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6.1 库伦定律 静电力叠加原理
6.1.3 静电力叠加原理
库仑定律只讨论两个静止点电荷之间的作用力， 当考虑两个以上的静止点电荷之间的作用时，就必须 补充另一个实验事实：两个点电荷之间的作用力并不 因第三个点电荷的存在而有所改变。因此两个以上的 点电荷对一个点电荷的作用力等于各个点电荷单独存 在时对该点电荷的作用力的矢量和。这一结论叫静电 力叠加原理。
2、库仑定律（Coulomb Law）
F
1 4πε0
q1q2 r2
er
er 为由电荷q1指向电荷q2的位置矢量的单位矢量
ε0 8.85 10 12 C2 N1 m2为真空电容率
q1
er
r
q2
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F
1 4πε0
q1q2 r2
er
大小： F
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6.1 库伦定律 静电力叠加原理
6.1.3 静电力叠加原理
对于由n个点电荷组成的电荷系q1、q2、…、qn， 它们对另一个点电荷q0的静电力，由静电力叠加原理 得：
er， i0表示从电荷qi指向q0的矢量ri0的单位矢量。
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6.1 库伦定律 静电力叠加原理
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物体能够产生电磁现象归因于物体所带的电荷 以及电荷的运动。
当物质处于电中性时，质子数＝电子数，当物 质的电子过多或过少时，物质就带有电。物体带电 的本质是两种物体间发生了电子的转移。即一物体 失去电子带正电，另一物体得到电子带负电。
定义：物体所带电荷的多少叫作电量。 单位：库仑（C）——注意不是国际单位制的 基本单位
6.1 库仑定律 静电力叠加原理 6.2 电场强度 6.3 高斯定理 6.4 电势 6.5 静电场中的导体 6.6 电容器的电容 6.7 静电场中的电介质 6.8 电容器的储能公式 静电场的能量
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6.1 库伦定律 静电力叠加原理
电磁现象是普遍存在的自然现象之一，以“电磁运动 及其相互作用规律”为研究对象的电磁学是物理学的 重要组成部分。通过对电磁现象研究，人们认识到物 质不但能以实物的形式存在，而且还能以场的形式存 在。
技术上的重要意义：发电机、电动机、无线电技术等.
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6.1 库伦定律 静电力叠加原理
早期，人们通过毛皮与琥珀的摩擦和对自然 界闪电的观察发现了电相互作用现象.对电的定量 研究则始于库仑定律.
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6.1 库伦定律 静电力叠加原理
6.1.1 电荷
经其他物体摩擦过的物体所具有的吸引 轻小物体的性质表明物体带了电。
Fe
4
1
π 0
e2 r2
8.2 108 N
Fg
G
memp r2
3.6 10-47 N
Fe 2.27 10 39 Fg
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6.1 库伦定律 静电力叠加原理
Fe 2.27 10 39 Fg
微观粒子领域：与静电力相比，万有引力完全可以 忽略。而在宏观领域，尤其是大质量天体之间的作 用，则是万有引力起主导作用。