真空中静电场电磁学.ppt

第一章 真空中的静电场 §1.1 电荷与库仑定律 1.电荷与电荷守恒定律 2. 库仑定律 3. 两任意带电体间的静电力 §1.1.1 电荷与电荷守恒定律 1、电荷： （1）摩擦起电 （2）两种电荷 任何物体本身都有电荷，只不过数量相等。 自然界只有两种电荷，正电荷和负电荷 正负电荷的定义 按惯例即富兰克林当初的定义： 在室温下丝绸摩擦过的玻璃棒 所带的电荷称为正电荷； 毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电 荷称为负电荷。 2、电荷的特点： （1）电荷的性质： 同种电荷相斥，异种电荷相吸 （2）电量：物体所带电荷的数量 测量电量的仪器：验电器、静电计 电子电量 1.602176462(83)×10－19C （1999年数据） （3）电子的发现及其电荷测量 1891年，英国斯通尼：电的自然单位electon 1897年，Thomson发现电子，并用荷质比测量了 阴极射线粒子的荷质比： e/m＝107 ~3×107 荣获1906年的诺贝尔物理奖 1898年，斯托克斯测量电荷最小单位 e＝5 ×10-10静电单位 1906－1908年，美国密立根用油滴实验，测定电 荷最小单位是 e＝4.06 ×10-10静电单位， 由此荣获1923年的诺贝尔奖 图1.2电子的发现者 汤姆逊(J.J.Thomson) 20世纪60年代物理学家提出了一种更基本的粒子——夸克(quark) 但都不是以自由状态存在，而是被禁闭在强子内部，不能脱离强子自由运动。 带电量为e/3，和2/3e，即基本电荷电量变小。 3、点电荷 （1） 电磁学意义上的点电荷 当一个带电体本身的线度比所研究的问题中所涉及的距离小很多时，该带电体的形状与电荷与其上的分布状况均无关紧要，该带电体就可以看作一个带电的点，叫点电荷，因此它是一个相对的概念。 （2）电荷的量子性 实验发现：自然界中，电荷总是以一个基本单元的整数倍出现。 （3）电荷是物质的基本属性 不存在不依附物质的单独电荷 4、电荷守恒定律 电荷守恒定律 对于一个系统，如果没有净电荷出入其边界，则该系统的正负电荷的电量代数和将保持不变，称为电荷守恒定律。 电荷只能发生改变，从一个物体转移到另外一个物体，或者从物体的一部分转移到另外一部分。 讨论: 物理学的基本规律 适用于一切宏观和微观过程，在所有的惯性系中都成立，是一个相对论性不变量。 与电荷的量子属性有关 与电子的稳定性有关（1021年） 近年来电荷不守恒的实验报道，中子衰变过程中有中子衰变，由此认为中子的电荷不守恒，概率与电荷守恒的衰变概率之比为7.9×10-21。 电子电量的绝对值与质子电量精确相同，保持物体的电中性，否则会大大超过引力，不可能形成星体的。 §1.1.2库仑定律(Coulomb’s law) 1、库仑定律的表述 对于两个点电荷，库仑1785年通过对扭秤实验结 果的分析，总结了两个静止点电荷间相互作用力 的规律，即库仑定律，其主要内容是： 在真空中，两个静止点电荷q1和q2之间的相互作用力的大小和q1与q2的乘积成正比； 和它们之间的距离r的平方成反比； 作用力的方向沿着它们的联线； 同号电荷相互排斥，异号电荷相互吸引； 2、数学表达式 F12是电荷1对电荷2的作用力，q1和q2是点电荷1和2的电量，r12是两点电荷间的距离，er是两点电荷间的单位矢量，k是比例系数 2对1的作用力F21和1对2的作用力F12满足牛顿第三定律： 比例系数K值的确定 K的数值、量纲与单位制的选择有关。 在国际单位制（SI）中，电量单位是库仑（C），距离单位m，力单位N， 是物理学中一个基本物理常量，称为真空电容 率或真空介电常量。由实验确定K值为： k=8.987551787×109Nm2/C2 由此可确定 的值， =8.854187817×10-12 C2 /(Nm2) 3、库仑定律的说明 是一条实验定律 成立的条件是真空和静止 真空的条件只是为了除去其他电荷的影响和周围的感应和极化等因素的影响，不是必要条件。 静止要求两电荷相对静止，或者静止电荷对运动电荷的作用力；但不能推广到运动电荷对静止电荷的作用力。 两静止电荷间的作用力是有心力 适用范围 r：10－15cm到109cm尺度范围 4、库仑定律与万有引力的比较 电力与引力的比较 （1）平方反比定律，精确度不一样 （2）是自然界的两种基本力,都是长程力 （3）作用的转播子不一样 场作用力 光子，引力子（？） （4）作用强度不同