靜電的基本現(xiàn)象和基本規(guī)律.ppt

1、 1. 靜電場(chǎng) （Electrostatic field）, 1-1 靜電的基本現(xiàn)象和基本規(guī)律,1.兩種電荷,通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，自然界中存在兩種電荷，一種與絲絹摩擦過(guò)的玻璃棒的電荷相同正電荷（positive charge）;另一種與毛皮摩擦過(guò)的硬橡膠棒的電荷相同負(fù)電荷（negative charge） 同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。 正電荷與負(fù)電荷相互完全抵消的狀態(tài)叫做中和。,2.靜電感應(yīng) 電荷守恒定律,用驗(yàn)電器做演示試驗(yàn)： 圖1-1驗(yàn)電器,除了摩擦起電以外，另一重要的起電方式是靜電感應(yīng)。,圖1-2,電荷既不能產(chǎn)生，也不能消失，它們只能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，或從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一

2、部分，即在任何物理過(guò)程中，電荷的代數(shù)和是守恒的電荷守恒定律它不僅適用于宏觀現(xiàn)象，而且適用于微觀現(xiàn)象.,3 導(dǎo)體，絕緣體半導(dǎo)體,按照電荷能否容易轉(zhuǎn)移或通過(guò)，習(xí)慣上可以把物體分成幾大類： 1電荷容易通過(guò)的物體導(dǎo)體， 電阻率范圍大約： =10E-510E-4m 2電荷不容易通過(guò)的物體絕緣體， 電阻率范圍大約： =10E1010E22m 3介于導(dǎo)體與絕緣體之間的且電性質(zhì)非常特殊的材料 半導(dǎo)體，如硅、鍺等。 電阻率范圍大約： =10E410E10m,附錄1：,外場(chǎng)改變對(duì)稱分布,導(dǎo)體和非導(dǎo)體的能帶模型,絕緣體： 能帶為滿帶或空帶 導(dǎo)體：能帶被部分電子填充,導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的深入物理解釋 -能帶論介紹：

3、,附錄2： 超導(dǎo),超導(dǎo)：當(dāng)溫度降低到某特定溫度TC時(shí)， 材料電阻變?yōu)榱愕默F(xiàn)象。 TC 被成為正常態(tài)和超導(dǎo)態(tài)之間的轉(zhuǎn)變溫度。,4.物質(zhì)的電結(jié)構(gòu),物體具有不同的導(dǎo)電性，可用物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)解釋。金屬之所以導(dǎo)電，因?yàn)榻饘僦杏性S多自由電子，它們較容易擺脫原子核的束縛而自由地在金屬內(nèi)部運(yùn)動(dòng)。電解液中，有許多做宏觀運(yùn)動(dòng)地正負(fù)離子，所以電解液導(dǎo)電。在絕緣體中，電子受到原子核的束縛，基本上無(wú)自由電子（價(jià)電子），所以它們導(dǎo)電性能較差。一個(gè)質(zhì)子的電量為e,一個(gè)電子的電量為-e。在半導(dǎo)體中，導(dǎo)電的粒子除電子以外還有空穴，當(dāng)多數(shù)載流子為電子時(shí)，稱為 n型半導(dǎo)體；當(dāng)多數(shù)載流子為空穴時(shí)，稱為p型半導(dǎo)體。,5.電荷的“量子性

4、”,密立根油滴實(shí)驗(yàn),電荷的另一個(gè)重要特性是它的“量子性”，即任何帶電體的電荷只能時(shí)某一基本單位的整數(shù)倍，這個(gè)基本單位就是一個(gè)電子所帶的電荷電子電荷e。質(zhì)子的電荷與電子電荷的絕對(duì)值相等。,6.庫(kù)侖定律（Coulumbs law）,庫(kù)侖 (Coulomb, Charles Augustin de (1736-1806),1點(diǎn)電荷的概念：,實(shí)驗(yàn)證明：兩個(gè)靜止的帶電體之間的作用力，除與電量及相對(duì)位置有關(guān)圖1-5 外，還依賴于帶電體的大小、形狀及電荷的分布情況。一般情況下，兩個(gè)帶電體之間的相互作用表現(xiàn)出與多種因素有關(guān)的復(fù)雜性。實(shí)驗(yàn)指出，在測(cè)量精度范圍內(nèi)。當(dāng)帶電體自身的線度與帶電體之間的距離相比很小時(shí)，可

5、以將這個(gè)帶電體看作一個(gè)點(diǎn)電荷。,2點(diǎn)電荷的特點(diǎn),點(diǎn)電荷是一種理想模型。一個(gè)帶電體能否看作點(diǎn)電荷，必須根據(jù)具體情況而定，帶電體一旦被看作點(diǎn)電荷，就可以用一個(gè)幾何點(diǎn)來(lái)標(biāo)志它的位置，兩個(gè)點(diǎn)電荷的距離就是標(biāo)志它們位置的兩個(gè)幾何點(diǎn)間 距離。,3庫(kù)侖定律,庫(kù)侖扭秤,庫(kù)侖定律是描述在真空中兩個(gè)點(diǎn)電荷之間相互作用力的定律。,庫(kù)侖定律表述如下：在真空中兩個(gè)靜止的點(diǎn)電荷q1及q2之間的相互作用力的大小和q1q2的乘積成正比，和它們之間的距離r的平方成反比，作用力的方向沿著它們的連線，同號(hào)電荷相斥，異號(hào)電荷相吸引。,數(shù)學(xué)表示式：,圖1-7,2下標(biāo)1、2對(duì)調(diào)時(shí)， = ，所以上式還表明q對(duì)q的作用力 3 K的取值：（與

6、采用的單位制有關(guān)）,討論：,1研究發(fā)現(xiàn)：無(wú)論qq的正負(fù)如何，此式均適用。當(dāng)qq同號(hào)時(shí)，沿方向即為排斥力；當(dāng)qq反向時(shí)，qq的乘積,為負(fù)， 沿 方向吸引力。,電磁學(xué)中最常用的單位制是高斯制及國(guó)際制。國(guó)際制由（MKSA）單位制發(fā)展成的，是（SI）的一部分。在其中的四個(gè)基本量和單位：長(zhǎng)度（M）、質(zhì)量（Kg）、時(shí)間（S）和電流（A）為單位。電量的單位是庫(kù)侖，庫(kù)侖的定義：當(dāng)由1庫(kù)侖1AS 注意：采用MKSA制時(shí)， 中各量的單位也分別用N、C、m。比例系數(shù)k由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，在MKSI中， 是一個(gè)基本的物理常數(shù)，叫做真空介電常數(shù) 或叫做真空電容率，由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，,7.選加原理,作用于每個(gè)點(diǎn)電荷上的總的靜電力等于其

7、他點(diǎn)電荷單獨(dú)存在時(shí)，作用于該點(diǎn)電荷的靜電力的矢量和。,庫(kù)侖定律討論了兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的相互作用力的情況，在很多點(diǎn)電荷時(shí)，就要考慮利用迭加原理：, 1-2 電場(chǎng)和電場(chǎng)強(qiáng)度,1電場(chǎng),近代物理學(xué)證明：電力和磁力是通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)來(lái)作用的，凡是有電荷的地方，四周就存在電場(chǎng)。相對(duì)于觀察者靜止的電荷所激發(fā)的電場(chǎng)被稱為靜電場(chǎng)。,2電場(chǎng)強(qiáng)度矢量,1檢驗(yàn)（試探）電荷：為了判斷電場(chǎng)是否存在可以用一個(gè)點(diǎn)電荷q來(lái)做個(gè)實(shí)驗(yàn)。這個(gè)電荷就被叫作檢驗(yàn)電荷。檢驗(yàn)電荷必須滿足以下兩個(gè)條件： a)它的線度必須足夠小，以致于可以被看作點(diǎn)電荷，以便來(lái)確定場(chǎng)中每點(diǎn)的性質(zhì)。 b)它的電量要足夠小，使得由于它的置入，不引起原有電荷的重新分布。,

8、2點(diǎn)電荷的電場(chǎng)：先討論位于點(diǎn)電荷Q四周的電場(chǎng)。在場(chǎng)點(diǎn)放一個(gè)靜止的檢驗(yàn)電荷q。按照庫(kù)侖定律,q受的場(chǎng)力 能否用來(lái)表示場(chǎng)點(diǎn)的性質(zhì)呢? 見(jiàn)這樣的例子：,2點(diǎn)電荷的電場(chǎng),當(dāng)： Q=+5 C , q0=+4 C , ,Q=+5 C , q0=+3 C , ,Q=+5 C , q0=-2 C , ,發(fā)現(xiàn)場(chǎng)中固定點(diǎn)比值 是一個(gè)無(wú)論大小和方向都與檢驗(yàn)電荷q0無(wú)關(guān)的矢量。它是反映了電場(chǎng)本身的性質(zhì)，被定義為電場(chǎng)強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱場(chǎng)強(qiáng) 。,用文字表達(dá)：電場(chǎng)中某點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度是這樣一個(gè)矢量，其大小等于單位正電荷在該處所受的的電場(chǎng)力的大小，其方向與該點(diǎn)電荷在該處受的電場(chǎng)力的方向一致。,電場(chǎng)強(qiáng)度的單位：在（SI）,的單位 ，,以后會(huì)

9、用,3.電場(chǎng)強(qiáng)度的迭加原理,已知電場(chǎng)力是個(gè)矢量，則它服從矢量的迭加原理。即 如果存在很多的點(diǎn)電荷 ，它們對(duì)空間中一些點(diǎn) 的檢驗(yàn)電荷施加的力為 （當(dāng)它們單獨(dú)存在時(shí)施 加的），當(dāng)它們同時(shí)存在時(shí)，電場(chǎng)施于該點(diǎn)試探電荷 的力,為,的矢量和,典型電場(chǎng)的電場(chǎng)線分布演示：,4電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算：,1單個(gè)點(diǎn)電荷產(chǎn)生的： 設(shè)有一個(gè)點(diǎn)電荷Q位于原點(diǎn)O，在任意場(chǎng)點(diǎn)P（場(chǎng)點(diǎn)）OPr,由 的定義,2 多個(gè)點(diǎn)電荷產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)：應(yīng)服從場(chǎng)強(qiáng)的迭加原理,3當(dāng)電荷連續(xù)分布：（沿曲線、曲面、體分布）,在一般情況下，可以把一個(gè)帶電體（宏觀上看）所帶的電荷分成許多極小的電荷元dq,每一dq在空間任意點(diǎn)P產(chǎn)生的場(chǎng)與點(diǎn)電荷的場(chǎng)相同，整個(gè)帶電體在

10、P點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)為所有電荷元在該點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)的矢量和，即為,設(shè)電荷連續(xù)分布在某一細(xì)棒上,當(dāng)場(chǎng)點(diǎn)與棒的距離遠(yuǎn)大于棒的粗細(xì)時(shí)，可忽略棒的粗細(xì)，認(rèn)為電荷分布在一條幾何線上，并定義電荷線密度,帶的電荷,由 ,整條棒在空間中某點(diǎn)產(chǎn)生的,電荷連續(xù)分布在某一薄層內(nèi)：當(dāng)場(chǎng)點(diǎn)與層的距離 遠(yuǎn)大于薄層厚度 時(shí)可忽略厚度而認(rèn)為電荷分布在一幾 何曲面上，在曲面上任意點(diǎn)處取一面元 ，設(shè)其帶電 量 ，引入面電荷密度：,積分遍及整個(gè)帶電曲面,電荷連續(xù)分布在某一體積里：,在體積上某點(diǎn)取一體積元 ，設(shè) 帶的電量為 ，,引入體電荷密度 則,積分遍及整個(gè)帶電區(qū)域,5帶電體在電場(chǎng)中受的力及其運(yùn)動(dòng),電場(chǎng)對(duì)電荷的作用力，通過(guò)以下例題可以看到。

11、例：計(jì)算電偶極子分別在勻強(qiáng)電場(chǎng)中受的力矩。 解正負(fù)電荷受力分別為 ，它們大小相等，方 向相反，合力為0，但作用線不同（反向平行），二者組 成一力偶，力臂均為 總的合力矩 方向沿,0，力矩的作用總使 轉(zhuǎn)向 的方向。,當(dāng) 與 平行或是反平行時(shí)（ 或 ），力矩為,討論：1公式說(shuō)明：當(dāng),2用矢量表示： 定義了是電偶極距 力矩,與 垂直， ，力矩最大；,1-3 高斯定理（Gauss theorem）,高斯 (Gauss,Karl friedrich, 1777-1855),2在與電場(chǎng)垂直的單位面積 上，穿 過(guò) 的電力線條數(shù)有 ，則比值 被稱作該點(diǎn)電力線的疏密度，它與該 點(diǎn) 的大小成正比。 即電力線 密處

12、 大，稀處 小。,1.電場(chǎng)中的電力線,為了理解通量的概念，引入電場(chǎng)中電力線的概念。按照以下的規(guī)定，在電場(chǎng)中劃一系列的曲線：,1曲線上的每一點(diǎn)的切線方向與該點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度的方向一致；,與該點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)大小,2.電通量,由于某點(diǎn)電力線的疏密度 成正比，即 。,通過(guò)斜面元的電力線的條數(shù)是 電通量（見(jiàn)圖1-16） 電通量： 對(duì)非無(wú)限小的曲面來(lái)說(shuō):,圖1-16,規(guī)定比例系數(shù)為1，則寫(xiě)成,或,高斯定理演示, ， 0 在電力線穿進(jìn)的地方是負(fù)的。,曲面法線的取向是相對(duì)的，但是閉合曲面將空間劃分成內(nèi)外兩部分。（見(jiàn)圖1-17）規(guī)定：對(duì)閉合曲面，總是取它的外法面矢量為正。這樣規(guī)定后，電力線穿出曲面的地方 為正。,圖1-17,0 在電力線穿出的地方是正的；,1考慮通過(guò)點(diǎn)電荷 的同心球面的電通量以點(diǎn)電荷為中心做半徑為r的圓，在球面上任取一面元ds，其電通量是,3.高斯定理（Gauss theorem）,整個(gè)球面通量,也可寫(xiě)成：,2通過(guò)包圍點(diǎn)電荷q的任意閉合曲面的通量，（見(jiàn)圖1-18）,圖1-18,為包圍點(diǎn)電荷q任意曲面，先以q為中心做半徑為r1的球面s1，以q為頂點(diǎn)作任意形狀的小錐體，可發(fā)現(xiàn)通過(guò)ds1的通量:,：,：,再以q為中心，r2為半徑做球面s2與錐體截出面元ds2 ,由立體幾何可知：,故,ds與d