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第九章 静电场 ③电荷守恒定律——自然界基本定律之一 二.电场 电场强度 ①静电场：相对观察者静止的电荷产生的电场。 §2.静电场的高斯定理 二.电通量 ③非匀强电场，任意曲面 3.电通量的正负 ★＋q处于任意闭合曲面内 2.点电荷系 4.理解要点 §3.静电场的环路定理 电势 2.任意电荷的电场（视为点电荷组） 一.电容器 一.温差电动势 1.产生：细胞膜内外的离子浓度不同，产生扩散，使膜内外产生电位差。 科技知识：大气电学 地球周围的大气是一部大电机，雷暴是大气中电活动最为壮观的显示。即使在晴朗的天气，大气中也到处有电场和电流。雷暴好似一部静电起电机，能产生负电荷并将其送到地面，同时把正电荷送到大气的上层。大气的上层是电离层，是良导体，流入它的电流很快向四周散开，遍及整个电离层。在晴天区域，这电流逐渐向地面泄露，这样就形成了一个完整的大气电路。 电离层与地面都是良导体，它们是两个等势面，它们之间的电势差平均为300000V。电离层和地表之间整个晴天大气电阻约为200Ω。这电阻大部分集中在稠密的大气底层从地表到几千米的高度内， 相应的，300 000V的电势降落大部分也发生在大气底层。这样，比地面高2M的一点到地面的电压就有几百伏，当然我们不能利用它来获取持续的电流。 据测量，大气电场的方向向下，因而地球表面必然带负电荷，其电荷量估算为 Q = 5×105C 闪电：闪电是大气中的激烈放电现象，它是大气被强电场击穿的结果。干燥空气的击穿场强是3×106V/m，但在雷雨云中，由于水滴存在，而且气压比大气压小，所以空气的击穿不需这样大的场强。要产生一次闪电，只需在云的近旁的某一小区域内有很强的电场就够了。此电场会引起电子雪崩 即由于高速带电离子对空气分子的碰撞作用使空气分子大量急速电离而产生大量电子。一旦某处电子雪崩开始，它会向电场较弱的区域传播。闪电可能发生在雷雨云内的正负电荷之间，也可能发生在雷雨云与空气之间或雷雨云与地之间。闪电的发展过程很快，利用高速摄影机研究，典型的云地之间的闪电从接近雷雨云的负电荷处的强电场中的电子雪崩开始。电子雪崩下移时，在它的后方留下一条离子通道，云中的电子流如此通道使之带负电。通道前端聚集的电子产生的强电场使通道继续向前沿伸。实际观察到的这种延伸不是持续的，而是一步一步的。电子雪崩下窜的速度可高达1/6倍的光速，但每一步只窜进50m，接着停止约50μs，然后再向 下窜。下窜的方向也不固定，因而形成的离子通道一般是弯弯曲曲的，并且还有分支，这是空气中各处的自由电子密度不同的结果。这样的通道叫梯级先导，它的半径约为几米，但只有它的中心才暗暗发光。当梯级先导的前端靠近地面或地面上某尖形物时，它的强电场便从地面引起一次火花放电，这火花从地面向上移动，在20m到100m高处与先导前锋相遇，此刻，云地之间电路接通，负电荷就沿着这条电阻很小的通道从雷雨云向大地泄露。这一泄露过程是从先导的接地开始的，这一段电子入地后，留下的正电荷吸引上面一段中的电子使它们下泄。这些电子下泄后，它上面的电子又接替着下泄，这样便形成了一个下泄的“前锋”不断沿着先导形成的离子通道向上延伸直达云底，其延伸速度极快， 可达光速的1/2。这前锋的上升实际上是一股强大的电流，被称为回击或回闪，它急剧加热这通道中的空气使之发出强烈的闪光。一次闪电实际上由若干次回击组成，两次回击之间相隔约40μs。一次闪电释放的能量约为109J。此能量的大部分变为热能，只有少量的变为光能和无线电波的能量。强大的回击电流流过的瞬间，闪电通道中的等离子体的温度可升至30 000K（太阳表面温度6000K），并具有很大的压强。这高温高压使闪电通道的任何物体都遭到严重的破坏。高压等离子体爆炸性的向四外膨胀因而形成激波，在几米之外逐渐减为声波，这就是雷声。 球形闪电：直径在10cm到100cm的火球，有时在 一次闪电回击后产生，有时也自发的产生，它们大约只延续几秒钟。有的火球由天空直落地面，有的则在地面上空水平游动，有的甚至通过门窗或烟囱进入室内。有些火球无声无息的逝去，也有些火球会爆炸而带来巨响。这些火球看来是由大气电所造成的，但至今还不了解它们的形成机制。例如，一种理论说火球是被磁场聚集到一起的等离子团，另一种理论说是由尘粒形成的小型雷雨云。但是，由于缺乏精密的数据与仔细的计算，所以这种现象至今仍然是个迷。 无外电场时 §4 静电场中的导体和电介质 一.静电场中的导体 导体的静电感应过程 加上外电场后 + 导体的静电感应过程 加上外电场后 + + 导