大学物理上 静电场-1(华科).ppt

1 电磁学 第二篇 Electromagnetism 吴庆文 2 第二篇电磁学 第6章静电场 12学时 第7章稳恒磁场 10学时 第8章电磁感应 8学时 电磁学研究 电磁现象的基本概念和基本规律 电荷 电流产生电场 磁场的规律 电场和磁场的相互联系 电磁场对电荷 电流的作用 电磁场对物质的各种效应 2 处理电磁学问题的基本观点和方法 作业 6T1 T5 3 第6章静电场 第1节电荷和库仑定理 第2节静电场电场强度 第3节静电场的高斯定理 第4节静电场的环路定理 第5节电势差和电势 第6节静电场中的导体 第7节静电场中的电介质 第8节静电场中的能量 4 一 电荷 1 什么是电荷 电荷是物质的基本属性 质量 电荷 2 电荷是量子化的 chargequantization 量子化 某物理量的值不是连续可取值而只能取一些分立值 则称其为量子化 自然界物体所带电荷 e 1 602 10 19C 注 在宏观电磁现象中电荷的不连续性表现不出来 引力相互作用的本领 电相互作用的本领 电荷 只有两种 q ne 电荷量子 n 1 2 3 1906 1917年 密立根用液滴法首先从实验上证明了微小粒子带电量的变化不连续 5 3 电量是相对论不变量 4 电荷遵从守恒定律 lawofconservationofcharge 电荷守恒定律的表述 在一个和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中保持不变 电荷守恒定律是物理学中普遍的基本定律 电子加速到 m 4 0825 104mo 但是电子的电量 q e 1 602 10 19C 保持不变 6 1 库仑定律 1785年库仑通过扭称实验得到 q1 q2 电荷q2受电荷q1的力 从电荷q1指向电荷q2 q1 q2 电荷q1受电荷q2的力 二 库仑定律 理想模型 真空中两个点电荷q1 q2之间的相互作用力为 真空中的介电常量 国际单位制中 扭称 1785 Coulomb 7 2 库仑定律只适用两个静止点电荷 3 若q1 q2在介质中 介电常数 r 0 空气中 0 4 基本实验规律 在宏观 微观领域都适用 1 遵从牛顿第三定律 8 2 电力叠加原理 实验证明 多个点电荷存在时 任意一个点电荷受的静电力等于其它各个点电荷单独存在时对它的作用力的矢量和 q1 q0 q2 q3 qn 库仑定律 电场力叠加原理 是静止电荷相互作用的基本定律 即 9 1 电场 库仑力如何传递 近代物理学证明 电场 F12 F21 三 静电场 电场强度 ElectrostaticFieldelectricfieldstrength 近距作用 超距作用 如 万有引力 以太 不存在 10 电场的基本性质 相对观察者静止的电荷激发的电场 特点 静电场与电荷相伴而生 是电磁场的一种特殊形式 静电场 1 对放其内的任何电荷都有作用力 2 电场力对移动电荷作功 静电场具有能量 3 电场 对导体产生静电感应现象 对绝缘体 电介质 产生极化现象 11 q0是很小的实验点电荷 单位 N C 牛顿 库仑 或V m 伏特 米 等于单位正电荷在该处受力大小 方向为单位正电荷在该处受力方向 均匀电场 2 电场强度矢量 1 的定义 12 a 带电粒子的电场 q0 P 根据库仑定律q0受力 P点处的场强 电场分布特点 2 的计算 本节重点 会计算并记住部分结果 典型结果 要记在 中 13 3 r E 因此在研究电场时 不是只着眼于个别地方的场强 而是求它与空间坐标的矢量函数 电场分布特点 球对称电场 14 例1 求点电荷系q1 q2 qn在空间任一点P处的电场强度 解 设P点放一点电荷q0 由电力叠加原理 P点的电场 即 电场中一点的场强 各点电荷在该点各自产生的场强的矢量和 场强叠加原理 15 例2 求电偶极子中垂线上任一点的电场强度 电偶极子 相隔一定距离的等量异号点电荷结构 从负电荷到正电荷的矢量线段 电偶极矩 P E E x y 解 在P点取坐标系 E Ex Ey 0 E r q q 2E cos P点的场强 q在P点产生的场强 方向沿x轴负向 16 1 E与r3成反比 比点电荷电场递减的快 E p E在远处不变 是描述电偶极子属性的物理量 当 2 若p q l保持不变 讨论 17 b 任意带电体的电场的计算 P 所有在P点产生的电场 在任意点P处产生的电场为 对连续分布的带电体 可将其无限划分成许多电荷元dq组成 矢量积分 18 例3 求长为L 单位长度上带电为 的均匀细棒中垂面上电场分布 解 设坐标系 由对称性将细棒分成一对对线元 x 显然 方向沿x轴 r 积分可得 y o 取电荷元dq 19 当L 或L x 则 方向沿径向向外 柱对称电场 若令x r 方向沿径向向内 20 例4 一无限大带电平面 面电荷密度 求其电场分布 y x P 解 平面可看成无数条宽为dy的细线组成 每个dy在P点产生的场为 由对称性 方向垂直平面 r 21 均匀场 E 0 E 0 讨论 22 例5 求一均匀带电圆环轴线上的电场强度E 解 在圆环上任取电荷元dq 由对称性知 P 已知 圆环半径为R 带电量为Q 若 点电荷 方向沿x轴 23 例6 半径为R的均匀带电圆盘 面电荷密度为 求圆盘轴线上任一点P的场强 解 圆盘可视为许多小圆环组成 取半径为r宽为dr的圆环 以dq代替右式中的q得 方向 圆盘带电 E沿x轴从盘中心