大学物理课件 第5章 静电场.ppt

第5章 静电场Electrostatic Field 本章要点： 1．静电场的基本定律——电荷守恒定律、库仑定律。 2．反映静电场基本性质的两条基本定理——高斯定理．和场强环流定律． 3．描述电场特性的重要物理量——电场强度和电势 4．导体的静电平衡条件，电介质极化 5．静电场中导体的电学性质，电容、电容器，电场的能量 电学是研究电磁现象及其基本规律的一门学科．在日常生活和工农业生产的电气化、自动化方面以及医疗、生物学等各个领域中，电学规律得到了广泛的应用。电的广泛应用是和电所具有的各种特性分不开的。第一，电能较容易转变为机械能、光能、化学能等其他形式的能量，所以利用电作为能源最为简便：第二．大功率的电能便于远距离传输，而且能量的损耗较少；第三，电磁信号可借电磁波的形式在空中传播，能够在极短的时间内把信号传送到遥远的地方，因而便于远距离控制和自动控制，使工业自动化成为可能。电学对现代生产技术的发展起着十分重要的作用．也是人类深入研究物质结构．发展近代科学理论必不可少的基础理论之一。 静电学主要研究静电场的基本性质和规律，研究静电场与导体和电介质的相互作用、相互影响，及导体和电介质的静电特性等。 5.1 电荷的量子化 电荷守恒定律 Quantization of Charge Law of Conservation of Charge 5.1.1 电荷的量子化Quantization of Charge 大量实验指出；自然界中只存在两种性质不同的电荷。一种是负电荷，用“一”号表示．例如电子带的就是负电荷；另一种是正电荷．以“十”号表示，例如质子带的就是正电荷，电荷之间存在相互作用力，同号电荷相互排斥，异号电荷相互吸引。 物体所带电荷的量值叫作电量，在国际单位制中，电量的单位是库仑(C)。如电子电量的绝对值为 到目前为止的所有实验表明，e是最小的电荷单元，所有带电体或其他微观粒子的电量部是电子电量的整数倍。这个事实说明，物体所带的电荷是以一个个不连续的量值出现的。这称为电荷的量子化。 5.1.2 电荷守恒定律Law of Conservation of Charge 通常．物体是由分子，原子构成的。原子由带正电的原子核和带负电的电子组成。原子核中含有质子和中子。质子带正电，其量值和电子的负电相等．中子不带电。在正常状态下，原子核外围的电子数目，等于原子核内的质子数目，所以原子呈现中性，这样，整个宏观物体也呈电中性，即正负电荷电量的代数和为零。但若把一些电子从一个物体移到另一个物体上，则前者带正电，后者带负电，不过这两个物体的正负电荷的代数和仍为零。相反．如果让两个带有等量异号电荷的导体互相接触，则带负电的导体上的多余电子将移到带正电的导体上去，从而使两个导体对外部不显电性。在这个过程中，正负电荷电的代数和始终不变，即总是为零。大量实验表明：在弧立系统内，不论发生什么过程，该系统电量的代数和总保持不变。这就是电荷守恒定律。电荷守恒定律是物理学中基本定律之一。 5.2 库仑定律Coulomb’s Law 库仑定律是点电荷之间相互作用的基本规律。所谓点电荷，是指这样的带电体，它本身的几何线度比起它到其他带电体的距离小得多，它是带电体的理想模型。 1785年法国科学家库仑利用扭秤对静止电荷的相互作用进行定量研究后，得出如下定律： 在真空中，两个静止点电荷之间的相互作用力与这两个电荷电量的乘积成正比而与这两个点电荷之间的距离r的平方成反比，力的方向沿两点电荷的连线，同号电荷相斥，异号电荷相吸，这就是真空中的库仑定律。可用矢量式表示如下： 式中为q1对q2的作用力，是从电荷q1指向电荷q2的单位矢量（图5-1），K是比例系数．它的数值和单位决定于式中各量所采用的单位。在国际单位制中．电量的单位是库仑(C)，距离的单位是米(m)．力的单位为牛顿(N)，这时K的数值和单位为 当q1与q2同号时，即，表示与方向相同，也就是同号电荷相互排斥。当q1与q2异号时，即，表示与方向相反，也就是异号电荷相吸。 为简化由库仑定律导出的一些重要公式，宁可使库仑定律的形式复杂些，而令 把式(5-2)代入式(5-1)中，真空中库仑定律又可表示为 库仑定律只适用于两个点电荷的相互作用，但在许多情况下，常涉及两个以上点电荷的相互作用。实验指出，作用在其中某一点电荷上的静电力等于其它点电荷分别单独存在时，作用在该电荷上的静电力的矢量和。这一结论说明静电力服从力的迭加原理。 [例题5·1] 在氢原子中．电子与质于的距离约为，求它们之间的静电作用力和万有引力．并比较这两种力的大小。 [解] 静电力的大小为 由于电子的质量，质子的质量 ，所以它们之间的