电荷的库仑定理

1、1中科院高能物中科院高能物理研究所的北理研究所的北京质子直线加京质子直线加速器的注入器速器的注入器高压倍压加高压倍压加速器速器2电与磁：物理学的第二次大综合电与磁：物理学的第二次大综合18311831法拉第法拉第的电磁感应定律：的电磁感应定律： 电磁一体电磁一体. .18651865麦克斯韦麦克斯韦电磁场统一理论（电磁场统一理论（19世纪中叶）世纪中叶）18881888赫兹赫兹在实验中证实电磁波的存在，光是电在实验中证实电磁波的存在，光是电磁波磁波. . 重要意义：发电机、电动机、无线电技术等重要意义：发电机、电动机、无线电技术等. .17851785库仑库仑定律：定律： 电荷与电荷间的相互作

2、用电荷与电荷间的相互作用. . 1820 1820奥斯特奥斯特的发现：的发现： 电流的磁效应电流的磁效应. .1821-18251821-1825安培安培发现电流与电流发现电流与电流 间的相互作用规律间的相互作用规律. . 345物质的结构物质的结构6 原子是电中性的，原子核中的中子不带原子是电中性的，原子核中的中子不带电，质子带正电，核外电子带负电，并且所电，质子带正电，核外电子带负电，并且所带电量的绝对值相等。自然界中有两种电荷带电量的绝对值相等。自然界中有两种电荷: 正电荷、负电荷。正电荷、负电荷。一、电荷量子化一、电荷量子化 密立根用液滴法测定了电子电荷。电子密立根用液滴法测定了电子电

3、荷。电子是自然界中存在的最小负电荷。是自然界中存在的最小负电荷。 e =1.6021773310-19库仑库仑(C) 1986年推荐值为年推荐值为 7 实验证明实验证明, 微小粒子带电量的变化是不微小粒子带电量的变化是不连续的连续的, 它只能是元电荷它只能是元电荷 e 的整数倍的整数倍 。 带电粒子的电荷是量子化的。带电粒子的电荷是量子化的。 Q = n e ; n = 1, 2 , 3 点电荷点电荷（1）带电体的大小、形状可以忽略。）带电体的大小、形状可以忽略。（2）把带电体视为一个带电的几何点。）把带电体视为一个带电的几何点。8 19071913年间做了一连串实年间做了一连串实验，用带电油

4、滴准确地测定电子验，用带电油滴准确地测定电子的电荷值，还验证了的电荷值，还验证了A.爱因斯坦爱因斯坦的的光电效应方程光电效应方程，取得了，取得了普朗克普朗克常数常数的精密数值。因在的精密数值。因在基本电荷基本电荷和光电效应方面的研究而获得和光电效应方面的研究而获得1923年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。密立根（美国物理学家）密立根（美国物理学家）9 电荷守恒定律适用于一切宏观和微观电荷守恒定律适用于一切宏观和微观过程过程(例如核反应和基本粒子过程例如核反应和基本粒子过程)。二、二、电荷守恒定律电荷守恒定律 一个与外界没有电荷交换的系统内一个与外界没有电荷交换的系统内, 正、负正、负电荷的代

5、数和在任何物理过程中保持不变。电荷的代数和在任何物理过程中保持不变。 电荷守恒定律是自然界中普遍存在的基电荷守恒定律是自然界中普遍存在的基本定律之一。本定律之一。 三三、电荷的相对论不变性电荷的相对论不变性电荷的产生和湮灭电荷的产生和湮灭10库仑库仑 (C.A.Coulomb 1736 1806） 法国物理学家，法国物理学家，17851785年通过扭秤实验创立库年通过扭秤实验创立库仑定律仑定律, , 使电磁学的研使电磁学的研究从定性进入定量阶段究从定性进入定量阶段. . 电荷的单位库仑以他的电荷的单位库仑以他的姓氏命名。姓氏命名。11在细银丝下悬挂一根绝在细银丝下悬挂一根绝缘棒，棒的一端是一个

6、缘棒，棒的一端是一个带电的小球带电的小球A，另一端是，另一端是一个不带电的球一个不带电的球B，B与与A所受的重力平衡。为了所受的重力平衡。为了研究研究带电体带电体之间的作用之间的作用力，把另一个带电的金力，把另一个带电的金属球属球C插入容器并使它靠插入容器并使它靠近球近球A12r 在真空中两个静止点电荷之间的静电在真空中两个静止点电荷之间的静电作用力与这两个点电荷所带电量的乘积成作用力与这两个点电荷所带电量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比，作正比，与它们之间距离的平方成反比，作用力的方向沿着两个点电荷的连线。用力的方向沿着两个点电荷的连线。1q2q210r02122121rrqqkF电

7、荷电荷q1 对对q2 的作用力的作用力F2121F三、库仑定律三、库仑定律13电荷电荷q2对对q1的作用力的作用力F12 01222112rrqqkF1q2qr120r12F041k真空中电容率。真空中电容率。 F/m1085418782. 8120140221041rrqqF(1) 库仑定律适用于真空中的点电荷。库仑定律适用于真空中的点电荷。(2) 库仑力满足牛顿第三定律库仑力满足牛顿第三定律 (3) 电荷之间距离小于电荷之间距离小于 时时,库仑定库仑定律仍保持有效。至于大距离方面律仍保持有效。至于大距离方面, 虽然未作过虽然未作过实验验证实验验证, 但也并没有特殊的理由预料在大距但也并没有

8、特殊的理由预料在大距离情况下库仑定律将失效。离情况下库仑定律将失效。m10101221FF讨论讨论 1516例例 氢原子中电子和质子的距离为氢原子中电子和质子的距离为 。 解解N101 . 8)103 . 5 ()106 . 1 (100 . 94182112199220reFe求求 此两粒子间的电力和万有引力。此两粒子间的电力和万有引力。m103 . 511两粒子间的静电力大小为两粒子间的静电力大小为两粒子间的万有引力两粒子间的万有引力大小大小为为2112731112)103 . 5(107 . 1101 . 9107 . 6rmmGFpegN107 . 347万电FF 17解解220)2

9、(41reFe两粒子间的静电力大小为两粒子间的静电力大小为例例 假设两个假设两个粒子相距粒子相距10-13m，试计算它们之，试计算它们之间的静电引力大小，并和它们之间的万有引力间的静电引力大小，并和它们之间的万有引力大小比较。已知大小比较。已知粒子带电量为粒子带电量为2e，质量为，质量为6.6810-27kg。 万有引力常数万有引力常数G = 6.6710-11m3kg-1s-2。N1022. 9)10()106 . 12(100 . 92213219918两粒子间的万有引力为两粒子间的万有引力为221rmmGF N1098. 237万电FF 21322711)10()1068. 6(107 . 619解解N104 . 34132caca0carqqF由库仑定律由库仑定律例例 已知带电粒子已知带电粒子 a、b、c， 所带电量分别为所带电量分别为qa=3.0C， qb=-6.0C， qc=-2.0C。试求带电。试求带电粒子粒子 a 和和 b 对对 c 的作用力。的作用力