静电学的基本规律

第一章静电学的基本规律

研究问题：从基本的静电现象出发，讨论静电场的描写方法和基本规律，进而建立静电场的基本方程式。

§1.1 物质的电结构电荷守恒定律

一、电荷

1、材料经摩擦后具有吸引轻小物体的能力，称之为“带电”——带有电荷。

2、自然界只存在两类电荷。（富兰克林命名）

3、电荷之间存在相互作用——同类相斥，异类相吸。

4、物体带电的过程：

（1）摩擦起电——电子从一个物体转移到另一个物体。

（2）静电感应——电子从物体的一部分转移到另一部分。

共同点：出现的正负电荷数量一定相等。

二、物质的电结构

1、基本粒子：

电子——电量e=－1.6×10-19C，质量m=9.11×10-31kg

质子——电量e=1.6×10-19C，质量m=1.67×10-27kg

夸克―组成核子（质子和中子）的微粒。

电量为（－1／3）e 或（2／3）e，至今尚未观察到独立存在的夸克。

2、电荷的量子化：电荷是不连续的，它由不可分割的基本单元——基本电

荷e所组成。一切物体所带电荷的数量都是基本电荷的整数倍。

（1）基本电荷的存在最早由爱尔兰物理学家斯托尼于1891年根据法拉第所发现的电解定律提出，并为汤姆孙实验（证实电子的存在

和测得电子的荷质比）、密立根油滴实验（得到油滴所带电荷总是

某一基本电荷整数倍的结论）等许多实验所证实。

（2）各种带电基本粒子如质子、电子在其它性质，如质量、寿命等方面相差甚大，而电荷量相等却达到惊人的程度（相等的精度达到

1020分之一）。电荷量子化是自然界一个具有深刻意义的基本规律，

直到目前为止仍无人能以更基本的观念来解释这一事实。

（3）当一种物理性质，如电荷那样以分离的“颗粒”形式存在，而不以连续方式存在，就称这种性质为量子化的。在近代物理中，量

子化是基本概念。

3、原子结构：

（1）实验和理论：1911年卢瑟福用α粒子轰击原子，提出原子的核模型。玻耳和索末菲又提出电子绕原子核转动的模型。

（2）原子结构：每个元素的原子由带正电的原子核和核外电子构成。

原子核由质子和中子组成。核中的质子数Z称为原子序数。正常

状态下，核外的电子数也等于Z。原子直径约为10-8cm,原子核的

直径约为10-12cm。原子的质量几乎全部集中于原子核中。

（3）原子核结构：放射现象的发现说明原子核具有复杂的结构。带正电的质子和不带电的中子依靠短程、强大的核力结合在一起。

（4）物质的结构是分层次的。人类对物质结构的每一更深层次的认识都导致重大的技术发明和进步——

物质是由原子、分子组成——化学和化学工程以及生物和生物工程

飞速发展；

原子是由电子和原子核组成——电子技术的研究和电子管的发

明、半导体的研究和晶体管的发明、通

讯理论的研究和电视雷达的发明、集成

电路的研究和微型计算机的发明以及

激光的产生和激光技术的应用。

原子核由质子和中子构成——重核裂变和轻核聚变的研究及核武

器的发明和核能的和平利用。

“基本”粒子内部结构——将会对技术的进步产生什么样的影响？

三、电荷守恒定律

1、实验事实：通常情况下，物体内部正负电荷数量相等，呈现电中性状态。

物体的带电过程（如摩擦起电、感应带电）是由于这种平衡的破坏。

2、定律的内容表述及意义——

（1）电荷既不能被创造，也不能被消灭，它们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；在转移的过

程中，电荷的总量不变。（高中教材）

（2）在任何时刻，存在于孤立系统内部的正电荷与负电荷的代数和恒定不变。在通常的宏观电学现象中，可以理解为在变化过程中基

本粒子（电子、质子）的数目保持不变，而只是组合的方式或者

位置发生改变。

3、适用范围——

（1）一切宏观和微观过程。现代物理学发现了大量有关基本粒子互相转化的事实，如一对正负电子可以互毁而放出电磁辐射。所有过

程中，反应物的总电荷等于生成物的总电荷——在迄今为止的一

切微观现象中，电荷守恒定律都是成立的

（2）所有的惯性系。电子、质子及其它一切带电体的电荷量不因带电

体的运动而改变，因此电荷守恒定律在所有惯性系中都成立，电

荷是一个相对论不变量。

（3）原因：电荷的量子性（不可再分割）；

电子的稳定性（不能衰变）

四、导体和绝缘体

1、从导电程度上将一般的物体粗分为两类，但其差别不是绝对的。它们之

间的差异可以用物体接触带电导体后，通过电荷重新分布到重新建立平

衡状态所需的时间来估计。一般金属约为10-9至10-10S，而对通常的绝缘

体如玻璃、石英等物质则需要非常长时间，达几天甚至几个月。

2、导体：内部有大量的自由电荷，当其受力作用时，很容易从一处向另一

处迁移，因而有很好的导电性。分为两类——

（1）第一类导体，如金属。由带正电的离子和大量自由电子组成。

（2）第二类导体：熔融的盐、酸、碱和盐的水溶液。没有自由电子，却有可以自由运动的正负离子。

3、绝缘体：分子或原子内的电子受核吸引力的约束极强，不能自由运动，

在通常的电力下，基本上不能导电。

某些条件下，绝缘体的导电能力会发生显著变化。如强电力作用下，绝缘体击穿；当紫外线、X射线等照射气体时，气体能够电离成为导体；

绝缘体受潮或粘附有其它化学物品时呈现不同程度的导电性。

4、半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间，如锗、硅等。

思考题：P52 1-1、1-2

习题：P57 1-7

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§1.2 库仑定律

一、库仑定律

1、点电荷：带电体本身的几何线度比起它与其它带电体之间的距离小得多

时，可以忽略其大小、形状以及电荷分布，而当作一个具有一定质量和

电荷的几何点——理想模型。

2、实验基础：1785年，库仑扭秤实验。

3、定律内容：真空中两个静止点电荷间的相互作用力，跟它们所带电荷量

的乘积成正比，跟它们之间的距离的平方成反比，作用力的方向在它们

的连线上，同号电荷相互排斥，异号电荷相互吸引。