静电的基本现象和基本规律讲解课件

教材：教材：电磁学电磁学 第三版第三版赵凯华、陈熙谋赵凯华、陈熙谋高等教育出版社高等教育出版社1电电 磁磁 学学教材：1电磁学起电：起电：使物体带电使物体带电摩擦起电：摩擦起电：用摩擦方法使物体带电用摩擦方法使物体带电带电体：带电体：带电的物体带电的物体带电体性质：带电体性质：吸引轻小物体吸引轻小物体两两种种电电荷荷：正正电电荷荷和和负负电电荷荷；同同种种电电荷荷相相斥斥，异种电荷相吸异种电荷相吸。一一 两种电荷两种电荷2 2第一章第一章 静电场静电场1-1 1-1 静电场的基本现象和基本规律静电场的基本现象和基本规律习题：习题：1.1-71.1-7起电：使物体带电一两种电荷2第一章静电场1-1静电二二 静电感应和电荷守恒定律静电感应和电荷守恒定律+感应电荷感应电荷1 静电感应静电感应+3二静电感应和电荷守恒定律+感应电荷142 电荷守恒定律荷守恒定律在与外界没有电荷交换的系统内在与外界没有电荷交换的系统内,任一时刻存在于系任一时刻存在于系统中的正、负电荷的代数和始终保持不变统中的正、负电荷的代数和始终保持不变要点：要点：电荷的代数和不变性：电荷的代数和不变性：孤立系统中正、负电荷各自孤立系统中正、负电荷各自的量可能发生变化，但其代数和保持不变。例如，的量可能发生变化，但其代数和保持不变。例如，正、负电子相遇转化为两个光子。高能光子经过另正、负电子相遇转化为两个光子。高能光子经过另一粒子附近时转换为正、负电子对。一粒子附近时转换为正、负电子对。电荷的相对论不变性：电荷的相对论不变性：孤立系统的电量，与其运动孤立系统的电量，与其运动状态无关，在不同参考系内进行观察，系统总电量状态无关，在不同参考系内进行观察，系统总电量保持不变。保持不变。宏观和微观过程均适用宏观和微观过程均适用42电荷守恒定律在与外界没有电荷交换的系统内,任一时刻存在三三 物体的分类物体的分类1 1 导体导体：电荷能从产生的地方迅速转移或传：电荷能从产生的地方迅速转移或传导到其它部分的那种物体叫做导体。导到其它部分的那种物体叫做导体。2 2 绝缘体绝缘体：电荷几乎只停留在产生的地方的：电荷几乎只停留在产生的地方的那种物体叫绝缘体。那种物体叫绝缘体。3 3 半导体半导体：半导体是介于导体与绝缘体之间：半导体是介于导体与绝缘体之间的物体，而且对温度，光照，杂质，压力，的物体，而且对温度，光照，杂质，压力，电磁场等外加条件极为敏感。电磁场等外加条件极为敏感。5三物体的分类1导体：电荷能从产生的地方迅速转移或传导常常见见导导体体:金金属属，石石墨墨，电电解解液液（酸酸，碱碱，盐盐类类的的水水溶液），人体，地，电离的气体等；溶液），人体，地，电离的气体等；常常见见绝绝缘缘体体:玻玻璃璃，橡橡胶胶，丝丝绸绸，琥琥珀珀，松松香香，硫硫磺磺，瓷器，油类，未电离的气体等。瓷器，油类，未电离的气体等。电荷量子化电荷量子化 *18971897年年J.J.J.J.汤姆逊从实验中测出了电子的比荷。汤姆逊从实验中测出了电子的比荷。*19131913年年R.A.R.A.密立根从实验中测定所有电子都有相密立根从实验中测定所有电子都有相 同的电量，带电体的电量是电子电荷的整数倍；同的电量，带电体的电量是电子电荷的整数倍；电子电荷电子电荷带电体电量带电体电量6常见导体:金属，石墨，电解液（酸，碱，盐类的水溶液），人体，电荷量子化是个实验规律。电荷量子化是个实验规律。迄今所知，迄今所知，电子是经电子是经实验验证实验验证的自然界中存在的的自然界中存在的最小负电荷，最小负电荷，质子是质子是最小的正电荷。最小的正电荷。电荷电荷只能取离散的、不连续的量值只能取离散的、不连续的量值的的性质性质，叫，叫做电荷的做电荷的量子化量子化。电子电荷的绝对值。电子电荷的绝对值 e 称为称为元电荷元电荷。或称作或称作电荷的量子电荷的量子。强子的强子的夸克模型夸克模型具有具有分数电荷分数电荷（或或 电子电荷）电子电荷）但实验上尚未直接证明但实验上尚未直接证明.量子化是近代物理的一个基本概念，当研究范量子化是近代物理的一个基本概念，当研究范围达到原子线度大小时，很多物理量如频率、能量围达到原子线度大小时，很多物理量如频率、能量也都是量子化的。也都是量子化的。7电荷量子化是个实验规律。迄今所知，电子是四四 物质的电结构物质的电结构 物物质质是是由由分分子子，原原子子组组成成的的，而而原原子子又又由由带带正正电电的的原原子子核核和和带带负负电电的的电电子子组组成成。原原子子核核中中有有质质子子和和中中子子，中中子子不不带带电电，质质子子带带正正电电。一一个个质质子子所所带带电电荷荷和和一一个个电电子子所所带带电电量量数数值值相相等等。如如果果用用e e代代表表一一个个质质子子的的电电量量，则一个电子的电量就是则一个电子的电量就是-e-e。自由电荷：可以自由移动自由电荷：可以自由移动束缚电荷：只能在一个原子或分子范围内作微小位移束缚电荷：只能在一个原子或分子范围内作微小位移8 8四物质的电结构物质是由分子，原子组成的，而原子又9库仑库仑 (C.A.Coulomb 1736 1806）法国物理学家，法国物理学家，17851785年通过年通过扭秤实验扭秤实验创立创立库库仑定律仑定律,使电磁学的研使电磁学的研究从定性进入定量阶段究从定性进入定量阶段.电荷的单位库仑以他的电荷的单位库仑以他的姓氏命名姓氏命名.五五 库仑定律库仑定律9库仑(C.A.Coulomb17361806）101 点电荷模型点电荷模型 点电荷是一个抽象的理想模型。当带电体点电荷是一个抽象的理想模型。当带电体本身的线度远比问题中涉及的本身的线度远比问题中涉及的距离小很多时距离小很多时，带电体就可近似当成点电荷。带电体就可近似当成点电荷。101点电荷模型点电荷是一个抽象的理想112 库仑定律库仑定律 1785年，法国物理学家年，法国物理学家库仑库仑用扭秤实验测定了用扭秤实验测定了两带电球体之间相互作用的电力，并在其基础上提两带电球体之间相互作用的电力，并在其基础上提出了出了两点电荷两点电荷之间相互作用的规律，之间相互作用的规律，即库仑定律即库仑定律。112库仑定律1785年，法国物理学家 SI SI制制 在真空中，两个静止的在真空中，两个静止的点电荷点电荷之间的相互作用之间的相互作用力，其大小与其电量的乘积成正比，与它们之间距力，其大小与其电量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比离的平方成反比。作用力的方向沿着两个点电荷的。作用力的方向沿着两个点电荷的连线方向连线方向.同号电荷相斥，异号电荷相吸。同号电荷相斥，异号电荷相吸。12SI制在真空中，两个静止的点电荷之间的相13（为真空电容率）为真空电容率）令令 库仑定律库仑定律 库仑力遵守牛顿第三定律库仑力遵守牛顿第三定律13（为真空电容率）令库仑定律库仑14 实验表明，库仑力满足线性叠加原理，即实验表明，库仑力满足线性叠加原理，即多个点电荷同时作用于一个点电荷的力等于每多个点电荷同时作用于一个点电荷的力等于每个点电荷单独作用力之矢量和个点电荷单独作用力之矢量和3 库仑力的叠加原理库仑力的叠加原理14实验表明，库仑力满足线性叠加原理，即多个15解解 例例1 1 氢原子内氢原子内,电子和质子的间距为电子和质子的间距为 .求它们之间电相互作用和万有引力求它们之间电相互作用和万有引力,并比较它们的大小并比较它们的大小.（微观领域中（微观领域中,万有引力比库仑力小得多万有引力比库仑力小得多,可可忽略忽略不计不计.）15解例1氢原子内,电子和质子的间距为库仑库仑定定律的进一步讨论：律的进一步讨论：成立条件：静止、真空、点电荷成立条件：静止、真空、点电荷该条件可以拓条件可以拓宽到静源到静源静静电荷，荷，不能延拓到不能延拓到动源源动电荷？荷？问题：上上述述结论是是否否与与牛牛顿第第三三定定律律矛矛盾盾？结果果合理合理吗？静止：静止：点电荷相对静止，且相对于观察者也静止点电荷相对静止，且相对于观察者也静止16库仑定律的进一步讨论：成立条件：静止、真空、点电荷该条件可以被作用者静止，被作用者静止，满足牛三满足牛三被作用者运动，不满足被作用者运动，不满足牛三牛三看上去与牛三矛盾看上去与牛三矛盾实际上正上正说明明电荷荷间有有第三者第三者场，前者前者电荷静止，荷静止，场的的动量不量不变作用力作用力对等等后者后者场的的动量量发生生变化，作用力不化，作用力不对等等17被作用者静止，满足牛三被作用者运动，不满足牛三看上去与牛三矛真空条件真空条件作用：为了除去其他电荷的影响，使两个作用：为了除去其他电荷的影响，使两个点电荷只受对方作用。点电荷只受对方作用。如果真空条件破坏会如何？如果真空条件破坏会如何？不仅只有不仅只有两个电荷；总作用力比真空时复杂些，但两个电荷；总作用力比真空时复杂些，但由于由于力的独立作用原理力的独立作用原理，两个点电荷之间，两个点电荷之间的力仍遵循库仑定律的力仍遵循库仑定律因此可以推广到因此可以推广到介质、导体介质、导体 18真空条件作用：为了除去其他电荷的影响，使两个点电荷只受对方作点电荷点电荷 理想模型理想模型质点质点刚体刚体理想流体理想流体平衡态（热学）平衡态（热学）点电荷：忽略了带电体形状、大小以及电荷分布点电荷：忽略了带电体形状、大小以及电荷分布情况的电荷。情况的电荷。19点电荷理想模型19适用范围和精度适用范围和精度 原子核尺度原子核尺度地球物理尺度地球物理尺度天体物理、空间物理天体物理、空间物理 大概无问题大概无问题 n精度：精度：Coulomb时代时代n 1971年年20适用范围和精度原子核尺度地球物理尺度精度：Coulom理论地位和现代含义理论地位和现代含义库仑定律是静电学的基础，说明了库仑定律是静电学的基础，说明了 带电体的相互作用问题带电体的相互作用问题 原子结构，分子结构，固体、液体的结构原子结构，分子结构，固体、液体的结构化学作用的微观本质化学作用的微观本质都与电磁力有关，其中主要部分是库仑力都与电磁力有关，其中主要部分是库仑力静电场的性质静电场的性质 21理论地位和现代含义库仑定律是静电学的基础，说明了21后果后果？静电场的基本定理静电场的基本定理高斯定理将不成立高斯定理将不成立动摇了电磁理论的基础动摇了电磁理论的基础电力平方反比律与电力平方反比律与m光光（静静）是否为零有密切关系是否为零有密切关系 m光光是有限的非零值？还是一个零？有本质的区别是有限的非零值？还是一个零？有本质的区别现有理论以现有理论以m光光=0为前提为前提,若若m光光不为零不为零 ，后果严重，后果严重 电动力学的规范不变性被破坏电动力学的规范不变性被破坏 电荷将不守恒电荷将不守恒 光子偏振态要发生变化光子偏振态要发生变化 黑体辐射公式要修改黑体辐射公式要修改 会出现真空色散，即不同频率的光波在真空中的传播速度不会出现真空色散，即不同频率的光波在真空中的传播速度不同，从而破坏光速不变。同，从而破坏光速不变。22后果？静电场的基本定理高斯定理将不成立22电量单位电量单位 MKSA制制1库库仑仑：当当导导线线中中通通过过1安安培培稳稳恒恒电电流流时时，一秒钟内通过导线某一给定截面的电量为一秒钟内通过导线某一给定截面的电量为 1C=1As若若F=1N,q1=q2=1C,r=1m 则则 k=8.9880109Nm2/C2 9.00109Nm2/C2 23电量单位MKSA制1库仑：当导线中通过1安培稳恒电流时，CGSE制单位制制单位制 电量作为基本单位由电量作为基本单位由C-定律定义定律定义 令：令：k=1,q1=q2,r=1cm,F=1dyn,则电量则电量q的单位为的单位为 1CGSE电量，电量，1C=3109CGSE电量电量24CGSE制单位制电量作为基本单位由C-定律定义24