物理真空中靜電場(chǎng)

1、物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版1電磁學(xué)電磁學(xué)物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版2第第12章章 靜電學(xué)靜電學(xué)自然界一切電磁現(xiàn)象都起源于物質(zhì)具有自然界一切電磁現(xiàn)象都起源于物質(zhì)具有電荷屬性，電現(xiàn)象起源于電荷，磁現(xiàn)象電荷屬性，電現(xiàn)象起源于電荷，磁現(xiàn)象起源于電荷運(yùn)動(dòng)，所以起源于電荷運(yùn)動(dòng)，所以“電荷電荷”概念是概念是電磁學(xué)中的第一個(gè)重要概念。電磁學(xué)中的第一個(gè)重要概念。12-112-1電荷電荷物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版3一一 電荷電荷1 電荷電荷 摩擦起電摩擦起電兩種不同材質(zhì)的物體互相兩種不同材質(zhì)的物體互相摩擦后，能吸引輕微物體。摩擦后，能吸引輕微物體。這表明兩種物體經(jīng)摩擦后，這表明兩種物體經(jīng)摩擦后，處于一種處于一種特殊狀態(tài)

2、特殊狀態(tài)，處于，處于這種狀態(tài)的物體稱為帶電這種狀態(tài)的物體稱為帶電體，它們分別帶有電荷。體，它們分別帶有電荷。注意：電荷不是物質(zhì)而是物體的屬性。注意：電荷不是物質(zhì)而是物體的屬性。摩擦起電摩擦起電12-112-1電荷電荷物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版42 種類種類:正電荷，負(fù)電荷正電荷，負(fù)電荷+-3 電性力電性力:同種相斥，異種相吸同種相斥，異種相吸帶同號(hào)電荷的物體互相排斥，帶異號(hào)電帶同號(hào)電荷的物體互相排斥，帶異號(hào)電荷的物體互相吸引，這種相互作用稱為荷的物體互相吸引，這種相互作用稱為電性力。電性力。12-112-1電荷電荷物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版55 電荷的量子化電荷的量子化: :庫侖庫侖（C）4 電量

3、電量:C10602. 119e)321(,nneq描述物體所帶電荷多寡的物理量稱為電描述物體所帶電荷多寡的物理量稱為電荷量，用符號(hào)荷量，用符號(hào)q或或Q表示。表示。12-112-1電荷電荷物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版6宏觀上宏觀上: :大量基本單元的集合大量基本單元的集合, ,呈連續(xù)分布呈連續(xù)分布. .闡明微觀本質(zhì)時(shí)，常需要從電荷的量子性闡明微觀本質(zhì)時(shí)，常需要從電荷的量子性出發(fā)出發(fā). .電荷量只能取分立的、不連續(xù)量值的性質(zhì)，電荷量只能取分立的、不連續(xù)量值的性質(zhì)，稱為電荷的量子化。稱為電荷的量子化。量子化是微觀世界的一個(gè)基本性質(zhì)，在微量子化是微觀世界的一個(gè)基本性質(zhì)，在微觀世界中，能量、角動(dòng)量等也是量子

4、化的。觀世界中，能量、角動(dòng)量等也是量子化的。12-112-1電荷電荷物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版76 原子的微觀結(jié)構(gòu)原子的微觀結(jié)構(gòu): :宏觀物體由分子、原子組成，宏觀物體由分子、原子組成，原子都由一個(gè)帶正電的原子核和原子都由一個(gè)帶正電的原子核和一定數(shù)目的電子所組成，一定數(shù)目的電子所組成，原子核又由帶正電的質(zhì)子和不帶原子核又由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子組成。電的中子組成。 12-112-1電荷電荷物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版8帶正電的原子帶正電的原子帶負(fù)電的原子帶負(fù)電的原子中性原子中性原子(a) (a) 電子質(zhì)量非常小，根據(jù)其得失，原子呈現(xiàn)電性電子質(zhì)量非常小，根據(jù)其得失，原子呈現(xiàn)電性. .(b)(b)

5、原子若得到電子便帶負(fù)電，失去原子若得到電子便帶負(fù)電，失去電子便帶正電電子便帶正電.12-112-1電荷電荷物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版91913年密立根油滴實(shí)驗(yàn)測(cè)得年密立根油滴實(shí)驗(yàn)測(cè)得電荷具有量子性，任何帶電體的電荷只能電荷具有量子性，任何帶電體的電荷只能是某一基本單位的整數(shù)倍，這個(gè)基本單位是某一基本單位的整數(shù)倍，這個(gè)基本單位就是電子電量絕對(duì)值就是電子電量絕對(duì)值e e。摩擦起電摩擦起電，實(shí)際上是通過作功實(shí)現(xiàn)電荷的，實(shí)際上是通過作功實(shí)現(xiàn)電荷的分離、轉(zhuǎn)移，從而使物體處于帶電狀態(tài)。分離、轉(zhuǎn)移，從而使物體處于帶電狀態(tài)。 12-112-1電荷電荷物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版10二二 電荷守恒定律電荷守恒定律 不

6、管系統(tǒng)中的電荷如何遷移，系統(tǒng)的不管系統(tǒng)中的電荷如何遷移，系統(tǒng)的電荷的代數(shù)和保持不變電荷的代數(shù)和保持不變.（自然界的基本守恒定律之一）（自然界的基本守恒定律之一）問題：電荷能否產(chǎn)生和消失？問題：電荷能否產(chǎn)生和消失？如：高能光子如：高能光子在重荷附近可以轉(zhuǎn)在重荷附近可以轉(zhuǎn)化為電子偶，電子化為電子偶，電子偶也能湮沒為光子。偶也能湮沒為光子。光光子子12-212-2庫侖定律庫侖定律物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版11庫侖庫侖 (C.A.Coulomb 1736 1806） 法國(guó)物理學(xué)家，法國(guó)物理學(xué)家，17851785年通過年通過扭秤實(shí)驗(yàn)扭秤實(shí)驗(yàn)創(chuàng)立創(chuàng)立庫庫侖定律侖定律, , 使電磁學(xué)的研使電磁學(xué)的研究從定性進(jìn)

7、入定量階段究從定性進(jìn)入定量階段. . 電荷的單位庫侖以他的電荷的單位庫侖以他的姓氏命名姓氏命名. .12-212-2庫侖定律庫侖定律物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版12一一 點(diǎn)電荷的概念點(diǎn)電荷的概念影響帶電體之間影響帶電體之間的相互作用的因素相互作用的因素 帶電體的間距帶電體的間距 電荷電量電荷電量 帶電體大小、形狀及電荷在帶電體上的分布帶電體大小、形狀及電荷在帶電體上的分布。當(dāng)帶電體本身的幾何線度遠(yuǎn)比帶電體間的當(dāng)帶電體本身的幾何線度遠(yuǎn)比帶電體間的距離小得多時(shí)，在測(cè)量的精密范圍內(nèi)，帶距離小得多時(shí)，在測(cè)量的精密范圍內(nèi)，帶電體的形狀與其上的電荷分布對(duì)作用力沒電體的形狀與其上的電荷分布對(duì)作用力沒有影響，此時(shí)

8、可以引入點(diǎn)電荷的概念。有影響，此時(shí)可以引入點(diǎn)電荷的概念。12-212-2庫侖定律庫侖定律物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版13當(dāng)帶電體的大小和帶電體間的距離相比很當(dāng)帶電體的大小和帶電體間的距離相比很小時(shí)，可將其視為點(diǎn)電荷。小時(shí)，可將其視為點(diǎn)電荷。點(diǎn)電荷點(diǎn)電荷簡(jiǎn)化為點(diǎn)電荷的條件簡(jiǎn)化為點(diǎn)電荷的條件: :Q1rddrr的解，得的解，得12-212-2庫侖定律庫侖定律物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版36若改為若改為QA=+4Q，QB=Q，均固定，他們相距均固定，他們相距r r，若一，若一電荷電荷q q放于何處才能平衡？放于何處才能平衡？rx4Q -Q解：解：要求第三個(gè)點(diǎn)電荷所受的合力為零，只要求第三個(gè)點(diǎn)電荷所受的合力為

9、零，只可能放在兩個(gè)電荷的右側(cè)，設(shè)它距可能放在兩個(gè)電荷的右側(cè)，設(shè)它距B為為x2020444)(xrQqxQqrx 12-312-3電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版37近近代代物物理理證證明明，這這兩兩者者都都是是錯(cuò)錯(cuò)誤誤的的。 一、電性力作用機(jī)制一、電性力作用機(jī)制歷史上曾經(jīng)有兩種觀點(diǎn)。歷史上曾經(jīng)有兩種觀點(diǎn)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為電荷之間的相互作用力是通一種觀點(diǎn)認(rèn)為電荷之間的相互作用力是通過充滿在空間的彈性媒體過充滿在空間的彈性媒體“以太以太”來實(shí)現(xiàn)來實(shí)現(xiàn)力的傳遞的，這種觀點(diǎn)叫做力的傳遞的，這種觀點(diǎn)叫做“近距作用近距作用”；另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為它們不需要任何媒體，另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為它們不需要任何媒體，也不

10、需要時(shí)間，能夠由一個(gè)物體立即作也不需要時(shí)間，能夠由一個(gè)物體立即作用到另一個(gè)物體上，這種觀點(diǎn)叫做用到另一個(gè)物體上，這種觀點(diǎn)叫做“超超距作用距作用”。12-312-3電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版38電磁力的傳遞需要時(shí)間，同時(shí)，所謂的電磁力的傳遞需要時(shí)間，同時(shí)，所謂的“以太以太”也是不存在的。其相互作用是通也是不存在的。其相互作用是通過特殊物質(zhì)場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)的。過特殊物質(zhì)場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)的。電電 場(chǎng)場(chǎng)電電 荷荷1電電 荷荷2產(chǎn)生產(chǎn)生作用作用作用作用產(chǎn)生產(chǎn)生任何電荷都在其周圍空間激發(fā)電場(chǎng)，而電任何電荷都在其周圍空間激發(fā)電場(chǎng)，而電場(chǎng)的基本特征是對(duì)處在其中的任何電荷都場(chǎng)的基本特征是對(duì)處在其中的任何電荷都有作

11、用力。有作用力。二二 電場(chǎng)電場(chǎng)12-312-3電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版39電場(chǎng)對(duì)外表現(xiàn)電場(chǎng)對(duì)外表現(xiàn):(1) 電場(chǎng)中的任何帶電體都有將受到電場(chǎng)所電場(chǎng)中的任何帶電體都有將受到電場(chǎng)所作用的力作用的力;電場(chǎng)能使電場(chǎng)中的導(dǎo)體產(chǎn)生靜電電場(chǎng)能使電場(chǎng)中的導(dǎo)體產(chǎn)生靜電感應(yīng)現(xiàn)象感應(yīng)現(xiàn)象,使電場(chǎng)中的電介質(zhì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象使電場(chǎng)中的電介質(zhì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象;(2) 當(dāng)帶電體在電場(chǎng)中移動(dòng)時(shí)當(dāng)帶電體在電場(chǎng)中移動(dòng)時(shí),電場(chǎng)所作用的電場(chǎng)所作用的力將對(duì)帶電體作功力將對(duì)帶電體作功,這表示電場(chǎng)具有能量。這表示電場(chǎng)具有能量。 理論和大量實(shí)驗(yàn)證明場(chǎng)的觀點(diǎn)是正確的。理論和大量實(shí)驗(yàn)證明場(chǎng)的觀點(diǎn)是正確的。12-312-3電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度

12、物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版40物物 質(zhì)質(zhì)實(shí)物實(shí)物場(chǎng)場(chǎng)電磁場(chǎng)是物質(zhì)存在的一種形態(tài)電磁場(chǎng)是物質(zhì)存在的一種形態(tài),它分布在它分布在一定范圍的空間里一定范圍的空間里,并和一切物質(zhì)一樣并和一切物質(zhì)一樣,具具有能量、動(dòng)量、質(zhì)量等屬性。有能量、動(dòng)量、質(zhì)量等屬性。靜電場(chǎng)靜電場(chǎng): 靜止電荷周圍存在的電場(chǎng)靜止電荷周圍存在的電場(chǎng)電場(chǎng)力：電場(chǎng)對(duì)處在其中的其他電荷的作用力電場(chǎng)力：電場(chǎng)對(duì)處在其中的其他電荷的作用力靜電力：靜電場(chǎng)對(duì)電荷的作用力靜電力：靜電場(chǎng)對(duì)電荷的作用力12-312-3電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版41 電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度為了測(cè)定空間電場(chǎng)的存在和性質(zhì)，可以在為了測(cè)定空間電場(chǎng)的存在和性質(zhì)，可以在空間引入一

13、個(gè)電荷，根據(jù)該電荷的受力大空間引入一個(gè)電荷，根據(jù)該電荷的受力大小和方向來判定電場(chǎng)的存在和性質(zhì)。小和方向來判定電場(chǎng)的存在和性質(zhì)。1 試驗(yàn)電荷試驗(yàn)電荷 點(diǎn)電荷點(diǎn)電荷 以便能精確定位某點(diǎn)的電場(chǎng)以便能精確定位某點(diǎn)的電場(chǎng) 電荷足夠小電荷足夠小 不對(duì)原電場(chǎng)產(chǎn)生顯著的影響不對(duì)原電場(chǎng)產(chǎn)生顯著的影響12-312-3電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版422 電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度Q 場(chǎng)源電荷場(chǎng)源電荷F試驗(yàn)電荷試驗(yàn)電荷0q激發(fā)電場(chǎng)的電荷叫做激發(fā)電場(chǎng)的電荷叫做場(chǎng)源電荷。場(chǎng)源電荷。Q所在位所在位置置源點(diǎn)源點(diǎn)試探電荷放在不同電場(chǎng)空間，它的受力大小試探電荷放在不同電場(chǎng)空間，它的受力大小和方向不同，如圖所示。同一位置放置不同

14、和方向不同，如圖所示。同一位置放置不同的試探電荷時(shí)，它們的受力大小不同。的試探電荷時(shí)，它們的受力大小不同。0qFE12-312-3電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版43 單位單位: :11mVCN, 和和試試驗(yàn)電荷無關(guān)驗(yàn)電荷無關(guān) 0qFE 電荷電荷q受電場(chǎng)力受電場(chǎng)力: : EqF 定義定義: : 單位正試驗(yàn)電荷所受的電場(chǎng)力單位正試驗(yàn)電荷所受的電場(chǎng)力Q 場(chǎng)源電荷場(chǎng)源電荷F試驗(yàn)電荷試驗(yàn)電荷0q12-312-3電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版44),(zyxEE 場(chǎng)強(qiáng)是空間的點(diǎn)函數(shù)，大小方向隨位置而變場(chǎng)強(qiáng)是空間的點(diǎn)函數(shù)，大小方向隨位置而變（矢量場(chǎng)）。（矢量場(chǎng)）。如空間各點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)大小和方向都相同，這如空間各點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)大小和方向都相同，這種場(chǎng)稱為均勻場(chǎng)，否則稱為非均勻場(chǎng)。種場(chǎng)稱為均勻場(chǎng)，否則稱為非均勻場(chǎng)。12-312-3電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版45四四 點(diǎn)電荷電場(chǎng)強(qiáng)度點(diǎn)電荷電場(chǎng)強(qiáng)度12-312-3電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版46rooerqqF241 rooerqqFE241/ 點(diǎn)電荷場(chǎng)強(qiáng)公式點(diǎn)電荷場(chǎng)強(qiáng)公式重要！重要！12-312-3電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度物理學(xué)物理學(xué)第五版第五版47q E負(fù)點(diǎn)電荷產(chǎn)生的場(chǎng)是以負(fù)點(diǎn)電荷產(chǎn)生的場(chǎng)是以點(diǎn)電荷為中心成輻射狀點(diǎn)電荷為中心成輻射狀指向點(diǎn)電荷的場(chǎng)。