电荷和库仑定律

上夸克2/3 e ，下夸克-1/3 e ，奇夸克-1/3 e ，粲夸 克2/3 e ，底夸克-1/3 e ，顶夸克2/3 e 。
二、库仑定律(Coulomb law) 电荷最基本的性质是电荷之间的相互作用，
库仑定律是1785年，库仑从扭称实验总结出的点 电荷之间相互作用所遵从的基本规律。
1. 扭称实验（1785年）
§1-1 电荷和库仑定律
一、电荷 (charge) 1. 两种电荷：即正(+)电荷和负()电荷
摩擦起电
用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷为正电荷； 用毛皮摩擦过的硬橡胶棒所带的电荷为负电荷。 质子所带电荷来规定正电荷，用电子所带电荷来 规定负电荷。 电荷之间的作用性质: 同性相斥，异性相吸。
2.电荷守恒定律
在真空中两个相对于观察者静止的点电荷之间的相互
作用力的大小与它们所带电量的乘积成正比，与它们之间
距离的平方成反比，方向沿两电荷的连线，同号相斥，异
号相吸。
设q2 受到
F12
F21
q1
k
k
的作用力为
F12
q 1 q 2 r12
r122 r1 2
q1q 2 r2
21
r
21
r21
则：
q1
F21
F
12
q2
r21 r 12
F21
q2
F 12
r12
当q2 与q1 异号时,
F12
与
r12
方向相反
q1
r r
21
12
F F
21
12
库仑力满足牛顿第三定律
k 1 9.0 109 N m2 C2
4π 0
是国际单位制中的比例系数
0
8.854187817 10 C 12 2
在一个与外界没有电荷交换的孤立系统内，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。
该定律的要点：
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，但其代数和恒保持不变。例如， 正、负电子相遇转化为两个光子。高能光子经过另一 粒子附近时可能转换为正、负电子对。
电荷的相对论不变性: 孤立系统内带电体的电量， 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。
电荷守恒定律对宏观过程和微观过程均适用。
3. 电荷的量子化（物体所带剩余电荷的总量） 1906～1917年，密立根（R.A. Millikan )用油滴
法测定了电子电荷，发现微小粒子带电量的变化 是不连续的，只能一份一份地增加或减少，电荷 的最小份额称为基本电荷e。任何带电体电荷量只 能是e的整数倍，即粒子的电荷是量子化的。
/(N
m ) 2
称为真空电容率或真空介电常数。
4. 库仑力的叠加原理 实验表明，库仑力满足线性叠加原理，即不因
第三者的存在而改变两者之间的相互作用。
在库仑定律中
F12
k
q1q2 r122
r1 2
r12
如果保持q 不变，而将q 增大数倍，则
2
1
F12也将增
大同样的倍数。这一事实表明，在库仑定律中暗含
着电荷在效果上是可叠加的。
F F F F F
1
2
n
i
i
F
2
+q
F1
F
+q1
F 3
+q2
-q3
“真空中有两个以上的点电荷时,作用于每个 电荷上的静电力等于其它每个点电荷单独存在时 作用于该点电荷的静电力的矢量和”
B
金 属 球A
金属球A
平衡球
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2.点电荷模型 a) 带电体可看作为点电荷是有条件的
即：当 r12 >> d时，带电体可以视为点电荷 当带电体自身的大小与带电体之间的距离
相比很小时，可看作点电荷。点电荷是对实际 情况的抽象，是一种理想化的模型。
对于有限分布带电体，可以看作无限多点电 荷的集合
3. 库仑定律
Q = n e ; n = ±1, ±2 , ±3,…
2002年e的推荐值为：e =1.602 17653 10-19 C
自然界中的微观粒子有几百种,其中带电粒子
所具有的电荷数均为+e 或-e 的整数倍。因此电
荷量子化是普遍的量子化规律。
在近代物理中提出强子(如质子、中子、介子等)是 由夸克(quark)构成的，夸克所带电量为e的 1/3或 2/3。但是到目前为止还没有发现以自由状态存在的 夸克。电量的最小单元不排除会有新的结论，但是电 量量子化的基本规律是不会变的。