物理真空中静电场.ppt

1,电磁学,2,第12章 静电学,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。,3,一 电荷,1 电荷 摩擦起电,两种不同材质的物体互相摩擦后，能吸引轻微物体。这表明两种物体经摩擦后，处于一种特殊状态，处于这种状态的物体称为带电体，它们分别带有电荷。,注意：电荷不是物质而是物体的属性。,4,2 种类:,正电荷，负电荷,3 电性力:,同种相斥，异种相吸,带同号电荷的物体互相排斥，带异号电荷的物体互相吸引，这种相互作用称为电性力。,5,5 电荷的量子化:,库仑（C）,4 电量:,描述物体所带电荷多寡的物理量称为电荷量，用符号q或Q表示。,6,宏观上:大量基本单元的集合,呈连续分布.阐明微观本质时，常需要从电荷的量子性出发.,电荷量只能取分立的、不连续量值的性质，称为电荷的量子化。,量子化是微观世界的一个基本性质，在微观世界中，能量、角动量等也是量子化的。,7,6 原子的微观结构:,宏观物体由分子、原子组成，原子都由一个带正电的原子核和一定数目的电子所组成，原子核又由带正电的质子和不带电的中子组成。,8,带正电的原子,带负电的原子,中性原子,(a)电子质量非常小，根据其得失，原子呈现电性.,(b)原子若得到电子便带负电，失去电子便带正电.,9,1913年密立根油滴实验测得,电荷具有量子性，任何带电体的电荷只能是某一基本单位的整数倍，这个基本单位就是电子电量绝对值e。,摩擦起电，实际上是通过作功实现电荷的分离、转移，从而使物体处于带电状态。,10,二 电荷守恒定律,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.,（自然界的基本守恒定律之一）,问题：电荷能否产生和消失？,如：高能光子在重荷附近可以转化为电子偶，电子偶也能湮没为光子。,光子,11,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.,12,一 点电荷的概念,影响带电体之间的相互作用的因素 带电体的间距 电荷电量 带电体大小、形状及电荷在带电体上的分布。,当带电体本身的几何线度远比带电体间的距离小得多时，在测量的精密范围内，带电体的形状与其上的电荷分布对作用力没有影响，此时可以引入点电荷的概念。,13,当带电体的大小和带电体间的距离相比很小时，可将其视为点电荷。,点电荷,简化为点电荷的条件:,14,二 库仑定律发展过程,1733年，杜非发现同性电会相互排斥，异性电会相互吸引。1767年，普利斯莱由实验现象，在带电的导体空腔内，电荷在任一位置所受的静电力均为零，与万有引力之间的情形类似，因而推测电荷间的作用力也应遵守平方反比定律。1771年，英国物理学家卡文迪许利用实验方法，间接证明了电荷间作用力的平方反比关系。1785年，库仑直接从扭秤实验中提出库仑定律,15,需要解决的问题F=F(q1,q2,r)电量的描述电荷转移性质+电荷转移过程中守恒性质对称性方法：两个全同导电体接触qq/2q/4q/8q/2n,16,实现方法：受测体：小体积，小电量（减小重分布）作用体：小电量小体积，大距离,测量手段小电量互作用-相互作用力小小作用力测量手段：扭称实验（测同号电荷作用力）单摆测量重力加速度原理（测异号电荷作用力）,17,库仑扭秤,电摆实验装置,18,实验结果分析：大量的实验数据表明电摆与重力摆结果相类似 实验结果结论：F1/r 2+问题：=?,=0？检验：精度逐渐提高的实验表明0（仍在进行）；物理学观念：确信=0；检验方法之一：高斯定理,19,三 库仑定律,真空中两静止点电荷q1和q2之间的相互作用力的大小与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。,20,k是比例系数，,表示q2对q1的作用力,真空介电常数或真空电容率,21,力的大小：,力的方向：,同号相斥，异号相吸,约定：电荷不说负就算正(以后均如此),22,电量的单位是导出单位：,电磁学单位制高斯制：厘米、克、秒制（CGS制）国际单位制：米、千克、秒、安培（MKSA制）目前通用的是国际单位制（SI）,在MKSA制中，将比例系数k写成,23,库仑定律的几点说明,库仑定律适用于点电荷与观察着保持静止的情况，也适用于静止电荷对运动电荷的作用。但运动电荷对静止电荷的作用不适用,两静止电荷间的作用力为有心力，力的大小与两者距离平方成反比。,库仑定律是实验定律。,库仑定律小至原子、原子核的线度，大至地球的线度内，即在10-15m107m的范围内是可靠的。,24,四 叠加原理,点电荷上的总静电力等于其他各点电荷单独存在时对该点电荷所施静电力的矢量和，即电场力满足力的叠加原理。,25,库仑定律和叠加原理相配合,原则上可以求解静电学中的全部问题。综上所述，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。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）,26,例1 按量子理论，在氢原子中，核外电子快速地运动着，并以一定的概率出现在原子核（质子的周围各处，在基态下,电子在半径0.52910-10的球面附近出现的概率最大.试计算在基态下,氢原子内电子和质子之间的静电力和万有引力,并比较两者的大小.引力常数为G=6.6710-11Nm2/kg2,27,解:按库仑定律计算,电子和质子之间的静电力为,应用万有引力定律,电子和质子之间的万有引力为,28,由此得静电力与万有引力的比值为,可见在原子中,电子和质子之间的静电力远比万有引力大,29,例2 三个点电荷所带的电荷量分别为,各电荷间的距离如图。求作用在 上合力的大小和方向,30,31,32,库仑定律算出的作用力是不小的,在距离一定时,它与带电体所带电荷量相关。例如两个各带电荷量为1C的带电体,相距1m时,作用力达9.0109 N,然而,通常在实验室里,利用摩擦起电使物体能获得的电荷量的数量级只是10-6C,相距1m时的静电力约10-2 N,这就是说,实际上我们利用通常的起电方法不可能使一个有限大(例如半径为1m的球体)的物体的带电量达到1C,因为早在电荷量聚集到此值前,周围的绝缘体已被击穿,物体上的电荷早已漏掉。所以通常遇到的静电力还是很小的,只能吸引轻微的物品。,33,对元电荷的理解，正确的是（）,A元电荷就是电子B元电荷就是质子C元电荷表示跟电子电量数值相等的电荷D物体所带电量只能是元电荷的整数倍,CD,34,如图，A、B两个相同的小球，半径为r=2cm，球心相距d=10cm，QA=210-6C，QB=-10-6C。他们之间的库仑力F？,思考下面解法对吗？,如若d=100cm，F=？若把两球接触后再放至100cm的地方，F=？,35,r-x,x,4Q Q,两个点电荷QA=+4Q，QB=+Q，均固定，他们相距r，若一电荷q放于何处才能平衡？,解：要求第三个点电荷所受的合力为零，只可能放在两个电荷的连线中间，设它与A为x,舍去xr的解，得,36,若改为QA=+4Q，QB=Q，均固定，他们相距r，若一电荷q放于何处才能平衡？,r,x,4Q-Q,解：要求第三个点电荷所受的合力为零，只可能放在两个电荷的右侧，设它距B为x,37,一、电性力作用机制,历史上曾经有两种观点。,一种观点认为电荷之间的相互作用力是通过充满在空间的弹性媒体“以太”来实现力的传递的，这种观点叫做“近距作用”；,另一种观点则认为它们不需要任何媒体，也不需要时间，能够由一个物体立即作用到另一个物体上，这种观点叫做“超距作用”。,38,电磁力的传递需要时间，同时，所谓的“以太”也是不存在的。其相互作用是通过特殊物质场来实现的。,电 场,任何电荷都在其周围空间激发电场，而电场的基本特征是对处在其中的任何电荷都有作用力。,二 电场,39,电场对外表现:,(1)电场中的任何带电体都有将受到电场所作用的力;电场能使电场中的导体产生静电感应现象,使电场中的电介质产生极化现象;(2)当带电体在电场中移动时,电场所作用的力将对带电体作功,这表示电场具有能量。,理论和大量实验证明场的观点是正确的。,40,电磁场是物质存在的一种形态,它分布在一定范围的空间里,并和一切物质一样,具有能量、动量、质量等属性。,静电场:静止电荷周围存在的电场,电场力：电场对处在其中的其他电荷的作用力,静电力：静电场对电荷的作用力,41,电场强度为了测定空间电场的存在和性质，可以在空间引入一个电荷，根据该电荷的受力大小和方向来判定电场的存在和性质。,1 试验电荷,点电荷 以便能精确定位某点的电场 电荷足够小 不对原电场产生显著的影响,42,2 电场强度,激发电场的电荷叫做场源电荷。Q所在位置源点,试探电荷放在不同电场空间，它的受力大小和方向不同，如图所示。同一位置放置不同的试探电荷时，它们的受力大小不同。,43,单位:,和试验电荷无关,电荷q受电场力:,定义:单位正试验电荷所受的电场力,44,场强是空间的点函数，大小方向随位置而变（矢量场）。,如空间各点的场强大小和方向都相同，这种场称为均匀场，否则称为非均匀场。,45,四 点电荷电场强度,46,点电荷场强公式重要！,47,负点电荷产生的场是以点电荷为中心成辐射状指向点电荷的场。,48,练习 两个点电荷QA=+4Q，QB=Q，均固定，他们相距r，若一电荷-2q 放于何处才能平衡？,4Q Q,若改为QA=+4Q，QB=Q，均可以自由运动，他们相距r，若一电荷q放于何处才能平衡？且q的带电量为多少？作业：习题册p72 1,