hgq11 靜電課件.ppt

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1、 電磁相互作用是物質(zhì)世界中最普遍的相互作用之一。這種相互作用既存在于宏觀物體之間，也存在于分子和原子內(nèi)。由于電磁現(xiàn)象是自然界存在著的一種極為普遍的現(xiàn)象，電磁力又是比萬(wàn)有引力強(qiáng)1039倍的長(zhǎng)程力，所以研究物質(zhì)間電磁相互作用、電磁場(chǎng)產(chǎn)生、變化和運(yùn)動(dòng)的規(guī)律的電磁學(xué)已成為物理學(xué)的一門(mén)十分重要的分支學(xué)科。 在大學(xué)本科階段電磁學(xué)課程是物理專(zhuān)業(yè)和其它電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)十分重要的基礎(chǔ)理論課程。電磁學(xué)的知識(shí)和應(yīng)用范圍非常廣泛，人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，對(duì)物質(zhì)的彈性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性，以及摩擦生熱、光的本質(zhì)等等的研究，都是以電磁相互作用為基礎(chǔ)。生產(chǎn)、生活、工程技術(shù)方面，由于電能容易獲得又易于轉(zhuǎn)換和使用，便于傳輸又有極高的效

2、率，因此被廣泛應(yīng)用在動(dòng)力、通訊、測(cè)量以及電工學(xué)、電化學(xué)、無(wú)線(xiàn)電學(xué)、自動(dòng)控制學(xué)、遙感遙測(cè)學(xué)、電視學(xué)等理工科各個(gè)領(lǐng)域。它涉及較多的后續(xù)課程。如電工學(xué)、電動(dòng)力學(xué)、電子技術(shù)和光學(xué)等。 認(rèn) 真 學(xué) 好 電 磁 學(xué) ！ 電磁場(chǎng)對(duì)物質(zhì)的各種效應(yīng)。 電 磁 學(xué) 研 究 對(duì) 象 ：電磁現(xiàn)象的基本概念和基本規(guī)律電荷、電流產(chǎn)生電場(chǎng)、磁場(chǎng)的規(guī)律電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互聯(lián)系電磁場(chǎng)對(duì)電荷、電流的作用 主 要 參 考 書(shū)電磁學(xué)第二版 賈起民 鄭永令 陳暨耀編 高等教育出版社 2001年 電磁學(xué) 梁燦彬 秦光戒 梁竹健編 人民教育出版社 1981年 電磁學(xué)及其應(yīng)用第5版，Kraus Fleisch 清華大學(xué)出版社，2001年 Ele

3、ctricity and MagnetismThird Edition B.l. Bleaney and B.Bleaney Oxford Univesity Press 1975 第一節(jié) 靜電的基本現(xiàn)象和基本規(guī)律一、電荷 、電荷的基本特性l 1. 兩種電荷 1747年富蘭克林（Benjamin Fraklin)發(fā)現(xiàn)了電，并命名了正電和負(fù)電 富蘭克林(1706-1790): 美國(guó)人在全家17個(gè)孩子中排行15，其父是小手工業(yè)者，家境貧困。他在10歲時(shí)綴學(xué)，12歲當(dāng)印刷所學(xué)徒，閱讀了許多書(shū)籍，后來(lái)成為科學(xué)家和政治家。自己寫(xiě)的墓志銘:“印刷工富蘭克林”。從蒼天那里取得了雷電，從暴君那里取得了民權(quán)。杜

4、爾格（法）天上的電和地電是統(tǒng)一的嗎? 費(fèi)城實(shí)驗(yàn) : 1752年7月，一個(gè)電閃雷鳴的上午，他將一個(gè)風(fēng)箏放到空中，風(fēng)箏下有一根鐵絲，鐵絲下栓一根麻繩，麻繩的下一端拴絲線(xiàn)，繩線(xiàn)接觸處栓了一把鑰匙。銅鑰匙可以給萊頓瓶充電，與摩擦電性質(zhì)完全相同 現(xiàn)象:麻繩上的纖維向四周自立，猶如“怒發(fā)沖冠” 小插曲： 為了驗(yàn)證“地電”與“天電”的相同處，富蘭克林想到雷可以擊死動(dòng)物，于是他就實(shí)驗(yàn)用“地電”去擊殺火雞，結(jié)果被電打昏了。蘇醒后，卻不介意地說(shuō)：“我本想用電殺死一只火雞，結(jié)果差點(diǎn)電死了一個(gè)傻瓜?！?753年，俄國(guó)的里赫曼在做大氣電實(shí)驗(yàn)時(shí)不幸中電身亡，為科學(xué)獻(xiàn)身發(fā)明避雷針:科學(xué)興趣廣泛命名了正電，負(fù)電，發(fā)現(xiàn)了電荷守

5、恒定律，研究了火爐的改良，植物的移植，傳染病的防治 富蘭克林是獨(dú)立宣言和美國(guó)憲法的起草人之一，為祖國(guó)的獨(dú)立和解放作出了貢獻(xiàn)的政治活動(dòng)家。 2. 起電的兩種方式 摩擦起電，靜電感應(yīng)l摩擦起電有一個(gè)重要的特點(diǎn)：相互摩擦的兩個(gè)物體總是同時(shí)帶電的，而且所帶的電荷等量異號(hào)。 l 3. 物質(zhì)的電結(jié)構(gòu) 物質(zhì)是由分子、原子組成的而原子由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成。原子核中有質(zhì)子和中子。中于不帶電，質(zhì)子帶正電。 正常情況下，物體中任何一部分所包含的電子的總數(shù)和質(zhì)子的總數(shù)是相等的，所以對(duì)外界不顯電性。但是，如果在定的外因作用下。物體（或其中的一部分)得到或失去一定數(shù)量的電子，使得電子的總數(shù)和質(zhì)子的總數(shù)不再相

6、等，物體就呈現(xiàn)電性。 摩擦帶電的解釋?zhuān)?通過(guò)摩擦，每個(gè)物體中都有一些電子脫離了原子的束縛，并跑到另一物體上去。但是不同材料的物體彼此向?qū)Ψ睫D(zhuǎn)移的電子數(shù)往往不相等。 摩擦帶電實(shí)際就是通過(guò)摩擦作用使電子從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體的過(guò)程。 靜電感應(yīng)現(xiàn)象的解釋?zhuān)?當(dāng)帶正電的物體C移到金屬導(dǎo)體的附近時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子就受到正電荷的吸引力向靠近帶電體的一端移動(dòng)，結(jié)果導(dǎo)體的這一端就因電子過(guò)多而帶負(fù)電、 另一端則因電子過(guò)少而帶正電。 感應(yīng)帶電實(shí)際上是在外界電力的作用下， 自由電子由導(dǎo)體的一部分轉(zhuǎn)移列另部分造成的。 4. 導(dǎo)體、絕緣體(insulator)或電介質(zhì)（ dielectric)、半導(dǎo)體（semic

7、onductor) 一切導(dǎo)體所以能夠?qū)щ?，是因?yàn)樗鼈儍?nèi)部都存在著可以自由移動(dòng)的電荷 在絕緣體中存在束縛電荷，自由電子很少，所以它們的導(dǎo)電性能很差 電荷守恒定律適用于一切宏觀和微觀過(guò)程( 例如核反應(yīng)和基本粒子過(guò)程 )，是物理學(xué)中普遍的基本定律之一。表述： 5. 電荷守恒定律（law of conservation of charge)在一個(gè)與外界沒(méi)有電荷交換的系統(tǒng)內(nèi)，正負(fù)電荷的代數(shù)和在任何物理過(guò)程中保持不變。 6. 電荷量子化（即離散化）19061917年，密立根（R.A.millikan )用液滴法測(cè)定了電子電荷，證明微小粒子帶電量的變化是不連續(xù)的，它只能是元電荷 e 的整數(shù)倍,即粒子的電荷是

8、量子化的。1923年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 迄今所知，電子是自然界中存在的最小負(fù)電荷，質(zhì)子是最小的正電荷。1986年的推薦值為：e =1.60217733 10-19庫(kù) 侖 (C)庫(kù)侖是電量的國(guó)際單位(MK SA制)。它是導(dǎo)出單位1庫(kù)侖1安培.秒電荷量子化(charge quantization)是個(gè)實(shí)驗(yàn)規(guī)律。 電荷 e是否是最基本的量子化單元呢？近代理論物理的研究預(yù)言了更小的基元電荷夸克（quark） 夸克帶分?jǐn)?shù)電荷ee 32 , 31 B.Fairbank et al 曾報(bào)道了在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)鈮球上存在分?jǐn)?shù)電荷，然而實(shí)驗(yàn)未能重復(fù) 二、庫(kù)侖定律(Coulomb law) 靜電力的疊加原理類(lèi)比法的

9、成功1.普利斯特利(1733-1804):德國(guó)人，氧氣的發(fā)現(xiàn)者。化學(xué)家。2.富蘭克林的空罐實(shí)驗(yàn)用絲線(xiàn)將一小塊軟木懸掛在帶電金屬罐外的附近軟木受到吸引。但把它懸掛在罐內(nèi)時(shí)，不論在罐內(nèi)何處，它都不受電力。當(dāng)富蘭克林寫(xiě)信將這一現(xiàn)象告之普利斯特利后，普氏想到:1687年牛頓曾證明:萬(wàn)有引力若服從平方反比定律，則均勻的物質(zhì)球殼對(duì)殼內(nèi)物體應(yīng)無(wú)作用。普利斯特利將空罐實(shí)驗(yàn)與牛頓推理類(lèi)比，聯(lián)想到電力也表現(xiàn)了這種特性，所以也應(yīng)遵從平方反比定律 二、庫(kù)侖定律(Coulomb law) 靜電力的疊加原理庫(kù)侖(1736-1806): 法國(guó)人，當(dāng)過(guò)法國(guó)部隊(duì)的技術(shù)軍官， 后被選為法國(guó)科學(xué)院院士。庫(kù)侖定律的建立使電磁學(xué)進(jìn)入了

10、定量的研究，使電磁學(xué)真正成為一門(mén)科學(xué)，數(shù)學(xué)的引入，使這門(mén)科學(xué)更錦上添花 2112 rrr 122122112 rrqqkF 二、庫(kù)侖定律(Coulomb law) 靜電力的疊加原理表述：在真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的作用力與它們的電量的乘積成正比，與它們之間距離的平方成反比 。 12r1r 2rO 21F12F 1q 2q2112 rr 表示單位矢量 1221 FF 庫(kù)侖力滿(mǎn)足牛頓第三定律041k )/(10854187817.8 22120 mNC 是國(guó)際單位制中的比例系數(shù)稱(chēng)為真空電容率或真空介電常量。21212 21021 4 1 rrqqF 實(shí)驗(yàn)表明，庫(kù)侖力滿(mǎn)足線(xiàn)性疊加原理，即不因第三者的存在而改變兩者之間的相互作用。靜電力的疊加原理： ni ni ii ii rrqqFF 1 1 0200000 41 1q 4q3q 2qoq1Or 2Or4Or3Or 說(shuō)明：雖然庫(kù)侖定律是通過(guò)宏現(xiàn)帶電體的實(shí)驗(yàn)研究總結(jié)出來(lái)的規(guī)律，但物理學(xué)進(jìn)一步的研究表明：原于結(jié)構(gòu)，分子結(jié)構(gòu)，固體、液體的結(jié)構(gòu)，以至化學(xué)作用等問(wèn)題的微觀本質(zhì)都和電磁力(其中主要部分是庫(kù)侖力)有關(guān)。而在這些問(wèn)題中，萬(wàn)有引力的作用卻是十分微小的