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物电学院 第一章 静电场 静电场 ? 相对观测者静止的电荷产生的电场 主要内容： §1 静电的基本现象 库仑定律 §2 电场 电场强度 §3 电场的高斯定理 §4 电势及其梯度 §5 静电场中的导体 §6 静电能 §7 电容及电容器 §8 静电场边值问题的唯一性定理 §9 恒定电流场 教学要求： 1. 掌握场强和电位概念及叠加原理，掌握场强和电位的积分关系，了解其微分关系，能计算简单问题的场强和电位； 2. 理解静电场高斯定理和环路定理，掌握用高斯定理计算场强的条件和方法。 3. 理解电流密度矢量的概念，电流的连续性方程，电流的稳恒条件，稳恒电流场的基本性质，非静电力、电动势的基本概念。 §1 静电的基本现象 库仑定律 两种电荷： 实验1----用毛皮或丝绸摩擦过的橡胶棒或玻璃棒可吸引轻小物体（羽毛，头发）。物体的这种性质就说它带了电，或有了电荷；带电的物体称为带电体 实验2---两根毛皮擦过的橡胶棒或丝绸摩擦过的玻璃棒相互排斥，而橡胶棒与玻璃棒之间相互吸引。众多实验证明，自然界中只存在两种电荷。同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。 1747年，美国科学家富兰克林将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。 电量 定义：物体所带电的量的多少 单位：库仑（C）(此单位到底有多大后面的例题会展示） 测量： 定性半定量的测量：验电器 定量测量：静电计+法拉第筒 电荷的量子性 1834年法拉第由实验得出电解定律，表明： 为了析出1mol单价元素需要相等的电量 F（法拉第常数）——1mol单价离子的电量 看出 e=F/NA——基本电荷 1891年英国斯通尼把基本电荷取名为“电子（electron）”,并根据上式估算出e的大小 1897年J.J.汤姆孙的阴极射线实验确定射线是负电粒子流，并测出其荷质比为氢离子的千余倍，从而发现比氢原子更小的基本粒子——电子；并荣获1906年诺贝尔物理学奖。 1898年，斯托克斯测量电荷的最小单位是 1906-1908年美国密立根用油滴实验测量电荷的最小单位是 。 密立根(R.A.Milliken)由此荣获1923年诺贝尔奖 静电感应现象 起电方式：摩擦起电和静电感应 电荷守恒定律——物理学中普遍的基本定律 电荷既不能被创造，也不能被消灭，它们只能从一个物体传到另一个物体，或者从物体的一部分传到另一部分，也就是说，在任何物理过程中，电荷的代数和是守恒的。 摩擦起电 摩擦过程中物体中的部分电子脱离原子的束缚并跑到另一物体上去。 不同物体彼此向对方转移的电子数目不相等——总体一方得到电子，一方失去电子。 得到电子显负电，失去电子显正电。 静电感应现象 金属（导体，晶体）中的价电子是自由电子，受到其它电荷的静电左右后由金属的一部分移向另一部分。 导体，绝缘体，半导体 按照电荷在其中是否容易转移或传导，习惯上把物体大致分为两类 导体——导电性能很好的材料。电荷能够从产生的地方迅速转移或传导到其它部分的物体，电阻率ρ10-4Ω?cm 绝缘体——导电性能很差的材料。电荷只能停留在产生的地方的物体，电阻率ρ109Ω?cm 半导体——导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。对温度、光照、压力、电磁场等外界条件极为敏感。电阻率介于导体和绝缘体之间 物质的电结构 物质——分子或原子的堆砌 2. 点电荷模型：可抽象为一个几何点的带电体，它本身的几何线度与它到其它带电体的距离相比小得多。 以库仑定律为例说明： 一个物理定律建立本身就是物理学取得很大进展的标志 物理定律具有丰富、深刻的内涵和外延 对于基本定律，我们究竟从那些方面考察？ 物理定律建立的一般过程 观察现象； 提出问题； 猜测答案； 设计实验测量； 归纳寻找关系、发现规律； 形成定理、定律（常常需要引进新的物理量或模型，找出新的内容，正确表述）； 考察成立条件、适用范围、精度、理论地位及现代含义等 。 一.库仑定律的建立 Franklin 首先发现金属小杯内的软木小球完全不受杯上电荷的影响; 在Franklin的建议下，Priestel做了实验 ——提出问题 猜测答案 现象与万有引力有相同规律 由牛顿力学可知：球壳对放置在壳外的物体有引力，而放置在球壳内任何位置的物体受力为零。 类比：电力与距离平方成反比（1766年做的实验，未被重视） 设计实验 1769年Robison首先用直接测量方法确定电力定律，得到两个同号电荷的斥力 Cavendish实验 1772年Cavendish遵循Priestel的思想设计了实验验证电力平方反比律，如果实验测定带电的空腔导体的内表面确实没有电荷，就可以确定电力定律是遵从平方反比律的即 1785年Coulomb测出结