中南大学物理电磁学课件1静电场.ppt

普通物理（下）,授课老师： 彭政,2012年下学期,电磁学 教材：新概念物理学电磁学 赵凯华、陈熙谋,静电场-相对于观察者静止的电荷产生的电场 需要掌握的主要内容 两个物理量：电场场强、电势； 一个实验规律：库仑定律； 两个定理： 高斯定理、环路定理,静电场,第一章,（导体，电介质）,电荷守恒定律： 在一个与外界没有电荷交换的系统内, 正负电荷的代数和在任何物理过程（宏观和微观）中保持不变。物理学中最普遍的基本定律之一,电荷的量子化效应：q=ne,1 电荷 库仑定律,一、电荷的量子化,电荷的种类：正电荷、负电荷,电荷的性质：同号相斥、异号相吸,电量：电荷的多少 单位：库仑 符号：C,二、电荷守恒定律,三、库仑定律,真空介电常数。,单位矢量，由施力物体指向受力物体。,电荷q1作用于电荷q2的力。,真空中两个静止的点电荷之间的作用力（静电力），与它们所带电量的乘积成正比，与它们之间的距离的平方成反比，作用力方向沿着这两个点电荷的连线。,讨论,库仑定律包含同性相斥，异性相吸这一结果。,所以库仑力与万有引力数值之比为,电子与质子之间静电力（库仑力）为吸引力,电子与质子之间的万有引力为,例：在氢原子中，电子与质子的距离为5.310-11米，试求静电力及万有引力，并比较这两个力的数量关系。,忽略！,解：由于电子与质子之间距离约为它们自身直径的105倍，因而可将电子、质子看成点电荷。,数学表达式,离散状态,连续分布,静电力的叠加原理 作用于某电荷上的总静电力等于其他点电荷单独存在时作用于该电荷的静电力的矢量和。,库仑定律 成立条件、适用范围、精度,条件：静止、 真空、 点电荷,库仑定律是实验定律，平方反比规律一定严格的么？如果违反了会怎么样？,一些思考：,静止：,点电荷相对静止，且相对于观察者也静止 该条件可以拓宽到静源动电荷， 不能延拓到动源静电荷？ 因为作为运动源，有一个推迟效应。 问题：上述结论是否与牛顿第三定律矛盾？结果合理吗？,被作用者静止，满足牛三,被作用者运动，由于推迟势，不满足牛三,看上去与牛三矛盾 实际上正说明电荷间有第三者场， 前者电荷静止，场的动量不变作用力对等 后者场的动量发生变化，作用力不对等 将场包含进去，依然满足牛顿第三定律,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用。 如果真空条件破坏会如何？不仅只有两个电荷；总作用力比真空时复杂些，但由于力的独立作用原理，两个点电荷之间的力仍遵循库仑定律 因此可以推广到介质、导体,点电荷,理想模型（已学过的） 质点 刚体 理想流体 平衡态（热学） 点电荷：忽略了带电体形状、大小以及电荷分布情况的电荷。,适用范围和精度,原子核尺度地球物理尺度 天体物理、空间物理 大概无问题,精度：Coulomb时代 1971年,理论地位和现代含义,库仑定律是静电学的基础，说明了 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 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 静电场的性质,后果？,静电场的基本定理高斯定理将不成立 动摇了电磁理论的基础 电力平方反比律与m光（静）是否为零有密切关系 m光是有限的非零值？还是一个零？有本质的区别 现有理论以m光=0为前提,若m光不为零 ，后果严重 电动力学的规范不变性被破坏 电荷将不守恒 光子偏振态要发生变化 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同，从而破坏光速不变。,很严重！,静电力的两种观点：,“电力”应为“电场力”。,力的传递不需要媒介，不需要时间。,超距作用：,近距作用：,法拉第指出，电力的媒介是电场， 电荷产生电场；电场对其他电荷有力的作用。,2 电场强度,当电荷静止不动时，两种观点的结果相同。但当电荷运动 或变化时，则出现差异。近代物理学证明“场”的观点正确。,电场,电荷,电荷,电（磁）场可以脱离电荷和电流独立存在，具有自身的运动规律，具有动量，能量电（磁）场是物质的一种形态！,一、电场,叠加性,研究方法：,能法引入电势 u,力法引入场强,对外表现：,a.对电荷（带电体）施加作用力 b.电场力对电荷（带电体）作功,二、电场强度,a.由 是否能说， 与 成正比，与 成反比？,讨论,b.一总电量为Q0的金属球，在它附近P点产生的场强为 。将一点电荷q0引入P点，测得q实际受力 与 q之比为 ，是大于、小于、还是等于P点的,三 点电荷的电场强度,四、场强叠加原理,点电荷系,点电荷系的电场,场强在坐标轴上的投影,连续带电体,连续带电体的电场,电荷元随不同的电荷分布应表达为,体电荷,面电荷,线电荷,例1电偶极子,如图已知：q、-q、 rl， 电偶极矩,求：A点及B点的场强,解：A点 设+q和-q 的场强 分别为 和,五、电场强度的计算,对B点：,结论,一般情况（习题1-8）,例2 计算电偶极子在均匀电场中所受的合力和合力矩,已知,解：合力,合力矩,将上式写为矢量式,力矩总是使电矩 转向 的方向，以达到稳定状态,可见： 力矩最大； 力矩最小。,例3 求一均匀带电直线在O点的电场。 已知： a 、1、2、,解题步骤,1. 选电荷元,5. 选择积分变量,4. 建立坐标，将 投影到坐标轴上,2.确定 的方向,3.确定 的大小,选作为积分变量,当直线长度,无限长均匀带电直线的场强,讨论,课堂练习 求均匀带电细杆延长线上一点的场强。已知 q ,L,a,例4 求一均匀带电圆环轴线上任一点 x处的电场。 已知： q 、a 、 x。（习题1-25）,当dq位置发生变化时，它所激发的电场矢量构成了一个圆锥面。,由对称性,讨论,（2）当x=0,即在圆环中心处，,（3）当 时，,这时可以把带电圆环看作一个点电荷 这正反映了点电荷概念的相对性,1.求均匀带电半圆环圆心处的 ，已知 R、,电荷元dq产生的场,根据对称性,课堂练习：,取电荷元dq则,由对称性,方向：沿Y轴负向,2.求均匀带电一细圆弧圆心处的场强，已知 ,R,例5 求均匀带电圆盘轴线上任一点的电场。（课后习题1-26） 已知：q、 R、 x 求：Ep,解：细圆环所带电量为,由上题结论知：,讨论,1. 当Rx,（无