静电场的基本规律ppt

LONGYANUNIVERSITY第一章静电场的基本规律前言（Preface)电荷（Electriccharge)库仑定律（Coulomb’slaw)静电场（Electrostaticfield)高斯定理（Gauss’theorem)电力线（Linesofforceofelectricfield)电位(Electricpotential)LONGYANUNIVERSITY第一章静电场的基本规律§1前言（Preface)一、本章的基本内容及研究思路本章讨论相对于观察者静止的电荷产生的场——静电场。首先从静电现象的观察开始，认识电荷和物质的电结构，从实验得到二个基本的规律——库仑定律和叠加原理。然后从库仑力是怎样作用的这一问题的讨论，引入电场，定义描述电场属性的两个物理量——电场强度和电位，同时介绍描述电场的形象工具——电力线和等位面。在理论体系方面，本章从库仑定律和叠加原理出发，导出静电场的两个定理——高斯定理和环路定理，进而说明由已知电荷的分布求场强和电位的计算方法。LONGYANUNIVERSITY第一章静电场的基本规律二、本章的基本要求1.确切理解库仑定律和叠加原理；2.正确理解电场强度和电势这二个基本概念，掌握计算场强分布和电势分布的几种方法；3.掌握电通量的概念及电通量的计算方法；4.掌握反映静电场性质的二条基本定理——高斯定理和环路定理，正确理解电场的性质；5.理解电力线的概念，掌握电力线的性质。LONGYANUNIVERSITY第一章静电场的基本规律三、本章思考题及作业题1.思考题：53页—55页；2.练习题：1.3.9.1.4.2.1.4.7.1.4.9.1.5.5.LONGYANUNIVERSITY第一章静电场的基本规律§2电荷（electriccharge)自然界一切电磁现象都起源于物质具有电荷属性，电现象起源于电荷，磁现象起源于电荷运动，所以“电荷”概念是电磁学中的第一个重要概念。人们对于电的认识，最初来自人工的摩擦起电现象和自然界的雷电现象。LONGYANUNIVERSITY第一章静电场的基本规律一、摩擦起电两种电荷事实上，两个不同质料的物体，例如丝绸和玻璃棒，毛皮和硬橡胶棒等，经相互摩擦后，都能吸引羽毛、纸片等轻微物体。这表明，经摩擦后它们获得了一种属性，处于一种与原来不同的状态，我们称它为带电状态，或者说它们带了电荷。这种处于带电状态的物体，叫做带电体。实验发现：自然界中只有两种电荷。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。同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。当异种电荷在一起时，它们的效应有互相抵消的作用。LONGYANUNIVERSITY第一章静电场的基本规律自然界一切物质都是由原子（或分子）组成。原子是由带负电的电子和带正电的原子核组成。在正常情况下，两种电量相等，物体呈中性。当因某种原因（摩擦、加热、化学变化等）失去或获得一部分电子时，就成为具有吸引其他微小物体的性质的带电体。允许电荷通过的物体叫导体，不允许电荷通过的物体叫绝缘体或电介质。导电性能介于导体和绝缘体之间的物体叫半导体。物体具有不同的导电性，这可用物质的微观结构解释：LONGYANUNIVERSITY第一章静电场的基本规律金属之所以导电，是因为内部存在许多自由电子，它们可以摆脱原子核的束缚而自由地在金属内部运动；酸、碱、盐的水溶液（电解液）之所以导电，是因为内部存在许多能作宏观运动的正、负离子；反之，在绝缘体内部，由于电子受到原子核的束缚，基本上没有自由电子，因而呈绝缘性质；在半导体中导电的粒子（叫做载流子），除带负电的电子外，还有带正电的“空穴”。LONGYANUNIVERSITY第一章静电场的基本规律二、电荷守恒定律实验表明：在一个与外界没有电荷交换的系统内，正负电荷的代数和在任何物理过程中始终保持不变。或者一个电孤立系统的总电荷是不变的。这个原理就是通常称之的电荷守恒定律。所谓“电孤立”系统，指的就是一个没有净电量出入其边界面的物质系统。例如光子不带电，故可以允许光线出、入该系统而不影响这个原理。LONGYANUNIVERSITY第一章静电场的基本规律电荷守恒定律不管在宏观领域还是在微观领域都是成立的。在宏观过程中，物体电荷改变，往往是由于电子的转移而引起的，从一个物体转换到另一个物体（这就是摩擦起电现象）；从物体的一部分转移到另一部分（这就是静电感应现象）。在微观领域中，譬如在核反应和基本粒子的产生、湮没过程。LONGYANUNIVERSITY第一章静电场的基本规律三、电荷的量子性上述物质结构的图象表明：在自然界中，任何带电体的电荷量值总是以某一基本单元的整数倍出现，这个基本单元就是一个质子或一个电子所带电量的绝对值e。迄今我们所能测定的一切带电粒子的电荷，都准确地等于这个数值或其整数倍。在基本粒子的夸克模型中，夸克被认为带有分数电荷，但未被实验发现。LONGYANUNIVERSITY第一章静电场的基本规律1785年，法国科学家库仑用扭秤测量了两个带电小球间的作用力：在真空中两个静止的点电荷之间的相互作用力的大小和它们所带电量q1和q2的乘积成正比，与它们之间的距离r的平方成反比；作用力的方向沿着它们的连线，同号电荷相斥，异号电荷相吸。§3库仑定律(Coulomb’slaw)一、库仑定律LONGYANUNIVERSITY第一章静电场的基本规律所谓点电荷，是指带电体的线度比带电体之间的距离小得多，它的形状和体积对相互作用力的影响可以忽略不计时，就可以把这样的带电体看成点电荷。rFˆ221rqqk其数学表达式为：其中k是比例常数，依赖于各量单位的选取。LONGYANUNIVERSITY第一章静电场的基本规律物体所带电荷的多少叫电量。在国际单位制中电量是库仑，记作c。在国际单位制中，库仑定律中的比例常数k为实验所测量得到：229109库仑米牛顿k2219109rqqF从而得到：二、电量的单位LONGYANUNIVERSITY第一章静电场的基本规律式中F单位为牛顿，q的单位为库仑，r的单位为米。为了简化电学中其他的许多常用式子（使公式中不出现4π因子），往往写成：041k221201085.8米牛顿库仑其中LONGYANUNIVERSITY第一章静电场的基本规律因此，库仑定律的常用式子写成：rrqqˆ412210F在MKSA单位制中，长度（L）﹑质量（M）﹑时间（T）﹑电流强度（I）为基本量，任何一个物理量Q的量纲具有如下形式：ITMLnrqpQ例如：ITMLrFqq24132210]][[]][[][LONGYANUNIVERSITY第一章静电场的基本规律三、库仑定律的矢量形式12221012ˆ41rFrqq21221021ˆ41rFrqqq2q1r12F12ˆrq2q1r21F21ˆr其中，表示点电荷q1对点电荷q2的作用力，表示点电荷q2对点电荷q1的作用力。F12F21LONGYANUNIVERSITY第一章静电场的基本规律rFˆ412210rqq从上面两式可知，即静止点电荷之间的库仑力满足牛顿第三定律。如果用表示由施力电荷指向受力电荷的单位矢，则上面两式中的附标可以删掉，简化为：FF2112rˆ当同号时，，F和r同向，表示为斥力；当异号时，，F和r反向，表示为引力。qq21,021qqqq21,021qqLONGYANUNIVERSITY第一章静电场的基本规律补充说明三点：（1）原来库仑定律是从两个静止点电荷得到的实验定律，后来大量实验事实表明，只要施力电荷静止，即使受力电荷运动，库仑定律仍然适用。因此库仑定律的适用条件可以放宽为：施力电荷必须是静止，受力电荷可以是静止的，也可以是运动的；（2）库仑定律和万有引力定律在数学形式上极为相似，不同的是，万有引力总是引力，库仑力可以是引力，也可以是斥力。注意这种相似和区别（是否有质的统一性是一个谜？）；LONGYANUNIVERSITY第一章静电场的基本规律（3）库仑定律是电磁学的基本定律，包括著名的α粒子放射以及地球物理探测在内的大量实验表明，库仑定律小至原子、原子核的线度，大至地球的线度内，即在10-15m——107m的范围内是可靠的。LONGYANUNIVERSITY第一章静电场的基本规律四、迭加原理库仑定理解决了两个点电荷之间的作用力问题，如果空间有两个以上的点电荷，或者体积不是很小的带电体，电荷之间的作用力又是怎样呢？这就必须补充另一实验事实——实验证明，有多个点电荷存在时，任意两个点电荷之间的作用是独立的，不受其他电荷存在的影响，仍由库仑定律决定。即：作用在每一个点电荷上的总静电力等于其他各点电荷单独存在时作用于该点电荷静电力的矢量和，这就是静电力的叠加原理，也叫独立作用原理。LONGYANUNIVERSITY第一章静电场的基本规律niin121FFFFF库仑定律与叠加原理相配合，原则上可以解决静电力中的全部问题。LONGYANUNIVERSITY第一章静电场的基本规律综上所述，为了解决带电体之间静电力作用问题，我们首先抽象出点电荷模型，从特殊开始，由实验找到点电荷之间的相互作用规律——库仑定律，然后又由实验找到叠加原理，解决了任意带电体之间静电力作用的问题。从特殊到一般，这是常用的一种研究问题的方法。注：今后说到一个物理规律可由实验证明时，可能是直接实验，也可能是指间接实验（是指由这一看法推出的各种结论与实验事实相符，这是物理学中的一个重要方法）LONGYANUNIVERSITY第一章静电场的基本规律§4静电场（electrostaticfield)一、电场库仑定律加上叠加原理，原则上可以求解任意带电体之间的静电力。这样看来，人们对这个领域的认识似乎可以“到此止步”了，然而，电荷之间的作用是怎样进行的，库仑定律没有回答这个问题，正是对这个问题的不同解释以及由此而引起的长期争论，导致了场概念的建立和场理论的产生和发展，从此把人们引入一个新的极为重要的物质世界领域电荷之间的相互作用是怎样进行的？我们知道，当我们推桌子时，通过手和桌子直接接触，把力作用在桌子上。马拉车时，通过绳子和车直接接触，把力作用到车上。LONGYANUNIVERSITY第一章静电场的基本规律在这里，力都是存在于直接接触的物体之间的，这种力的作用，叫接触作用或近距作用。但是，电力（电荷之间的相互作用力）、磁力（如磁铁对磁块的吸引力）和重力等，都可以发生在两个相隔一定距离的物体之间，而在两个物体之间并不需要有任何由原子、分子组成的物质作媒介。围绕着这个问题，在历史上曾有过长期的争论，一种观点认为这类力不需要任何媒介，也不需要时间，就能够由一个物体立即作用到相隔一定距离的另一个物体上，这种观点叫超距作用观点。另一种观点认为这类力也是近距作用的，电力和磁力是通过一种充满在空间的弹性媒介——“以太”来传递的。LONGYANUNIVERSITY第一章静电场的基本规律近代物理学的发展证明，“超距作用”的观点是错误的，电力和磁力的传递虽然很快（3×108m.s-1），但并非不需要时间，而历史上持“近距作用”的观点的人所假定的那种“弹性以太”也是不存在。实际上，电力和磁力是通过电场和磁场来作用的。上述两种观点可图解为：电荷电荷电荷电场电荷相对于观察者静止的电荷产生的场叫做静电场，电荷是电场的源，所以叫做场源，也叫源电荷。LONGYANUNIVERSITY第一章静电场的基本规律对于静止电荷之间的相互作用，上述两种观点所作的解释都是说得通的，所作的计算结果也是一致的，但对运动电荷两种观点的差别就暴露出来了，运动电荷产生的电磁场可以脱离场源而独立存在。正如湖面上投石激波，水波可以脱离波源而继续存在、传播一样；变化的电磁场有“推迟效应”，正如听到钟声和击钟之间有时间间隔一样，这些都是“超距作用”所无法说明的，而场的观点却能圆满做出解释，由场的观点出发所作的计算也是与实验结果一致的。因此，场的观点得到证实。LONGY