大学物理 静电

1、1,电 磁 学,2,电磁学：是研究电磁现象规律的科学 电磁学的应用： 1、家用电器：电视、照明、电脑 2、收音机、遥控、雷达 3、光学 4、磁学 5、核 6、生物 7、材料学科 8、信息学科 它是各个学科研究和应用的基础,3,电磁相互作用,万有引力,强相互作用,弱相互作用,重要，最富有成果,四种基本相互作用,电磁相互作用和电磁场 Electromagnetic field,通过电磁场说明 场的 基本性质 基本特征 基本方法,4,主要学习内容： 九.静电场及基本性质 十.稳恒电流的电场、磁场及基本性质 十一.电磁感应现象及Maxwell电磁场方程组 电磁场的统一性 物质性 相对性 电磁场量的相对

2、论变换 思路：实验规律,5,1-1 电荷的基本性质 1-2 库仑定律与叠加原理 1-3 电场与电场强度 1-4 电场强度的计算,本章主要内容：,9-1 静止电荷的电场,6,1-1 电荷的基本性质,一、电荷的种类,1、电荷有两种：正电荷和负电荷。 同性电荷相排斥，异性电荷相吸引。,2、实验证实： 电子带负电荷，质子带正电荷，中子不带电荷。 电子：电子半径10-18 m-无内部结构而有有限质量和 电荷的“点” 质子：质子半径10-15 m-中心带正电， 中子：靠近中心为正电荷，边缘带负电，正负电量相 等，对外不显电性。,7,3、电量 定义： 带电体所带电荷的多少叫电量。 单位：库（仑） (C) 符

3、号：Q (或q) 电量是标量：一个带电体所带总电量为其所带 正负电量的代数和。,8,二、电荷的量子性,n=1，2，3，,基本电荷量 ：,1.对电荷量子化的认识 法拉第等提出电荷量子化概念。 1913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。,在自然界中，电荷总是以一个基本单元的整数倍出现,9,2、电荷的空间分布相对连续性,当带电体所带的电量是基本电荷的很多倍时，宏观（平均效果）认为电荷连续地分布在带电体上。而忽略了量子性所引起的微观起伏。,当一个带电体本身的线度比所研究的问题中所涉及的距离小很多时，该带电体的形状与电荷在其上的分布均可忽略，该带电体就可看作一个带电的点，

4、叫点电荷。,3、点电荷,10,三、电荷守恒,电荷守恒定律： 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,11,四、电荷的相对论不变性,实验证实： 一个电荷的电量与它的运动状态无关。,电荷是相对论不变量： 在不同的参考系内观测同一带电粒子的电量，其电量不变。,12,一、库仑定律,1、真空中的库仑定律：,真空中两个静止点电荷相互作用力F的大小与这两个点电荷所带电量q1和q2的乘积成正比，与它们之间的距离r的平方成反比。作用力F的方向沿它们的连线方向，同号相斥，异号相吸。,1-2 库仑定律与叠加原理,13,F-F12=-F21,

5、2、力的方向:,3、单位制与常数K,国际单位制 (SI) r(m) F(N) q(C),令,真空介电常数,K = 9 109 N m2 C-2,14,1)基本实验规律 宏观 微观 适用 2)点电荷 理想模型 3)两电荷之间的相互作用不受其它带电体的影响 电力的叠加原理,15,二、电力叠加原理,两个以上的点电荷对一个点电荷的作用力等于各个点电荷单独存在时对该点电荷的作用力的矢量和。,16,= 原则上可以解决静电学的全部问题,库仑定律,+力的叠加原理,力的叠加原理,17,历史上的两种观点：,（1）“超距作用” 传递相互作用不需要时间、介质。,q,q,电场,F,F,（2）法拉第场论观点 力需要中间物

6、质来传递-场。,18,1）带电体周围存在的一种特殊的物质。,2）静电场： 相对观测者静止的电荷周围的电场。,场的特征：,结论：,库仑力是由静电场传递的,a 对置于其中的电荷有作用力 b 分布于电荷周围 c 几种场在同一时间可位于同一空间。,19,1-3 电场和电场强度,一、电场,电场：,电荷周围存在着的一种特殊物质。,静电场：静止电荷所产生的电场,电场的两个重要性质：,力学性质：,电荷在电场中要受到电场力的作用。,能量性质：,电场力对电荷有作功的本领。,电荷q1,电荷q2,电场E,20,1、试验电荷,A）尺寸足够小（点电荷） B）电量足够少（不会影响 原电场分布）,C）电荷带正电,二、电场强度

7、,描述场中各点电场的强弱的物理量,场源电荷q，场点处试验电荷q0在电场中受力F。,21,F,2、 实验结果,q,电场强度,1.单位： NC-1,2.方向：正试验电荷在该点的受力方向。,22,3、注意：,电场强度与试验电荷无关，只与场源电荷和场点位置有关。电场强度是反映电场自身特性的物理量。,23,1-4 电场强度的计算,一.点电荷的场强公式, 球对称,由库仑定律,由场强定义,从源电荷指向场点, 场强方向 正电荷受力方向,根据库仑定律和场强的定义,24,二、场强叠加原理 任意带电体的场强,如果带电体由 n 个点电荷组成，如图,整理后得,或,26,说明： (1)从经典场的观点来看,叠加原理是电场的

8、一个基本性质。原则上,由点电荷场的公式加上叠加原理就可以计算出任何电荷分布的场。 (2)叠加原理表明,场物质具有与波动类似的性质:两个场物质在某处相遇时,将相互叠加或互相穿越而过,而不像实物粒子那样发生碰撞或散射。 (3)实验表明,在涉及极短距离(10-16m)或极强相互作用时,场表现出量子特性,要用量子场论来处理,此时经典场的叠加原理失效。,27,例1：求电偶极子中垂线上一点的电场强度。,电偶极子：一对等量异号的点电荷系。,解：,由对称性分析 Ey=0,电偶极矩:,28,29,电偶极子在均匀电场中所受的力矩,F+= qE ， F-=-qE,M=2qE(l/2) sin =PE sin,M使得

9、P向 减小的方向转 (使P向和 E 尽量一致的方向转)。,30,连续分布电荷的电场强度,取连续分布电荷的电荷元dq,dq可视为点电荷,其电场强度,电荷均匀分布的情况下,用电荷密度表示dq.,电荷线密度:,电荷面密度:,电荷体密度:,(化为分量式计算),31,解题思路及应用举例,1.建立坐标系。,2.确定电荷密度:,4.确定电荷元的场,5.求场强分量Ex、Ey。,求总场,体dq= dV,3.求电荷元电量：,体 ,面,线,面dq= dS,线dq= dl。,32,例2 求均匀带电细棒p点的场强。点到棒的垂直距离为d。设棒长为l,带电量q,电荷线密度为。,解：,电荷元,33,讨论：当均匀带电细棒为无限长时，,无限长均匀带电直线的场强：,35,例3：均匀带电圆环半径为R，带电量为q,求：圆环轴线上一点的场强。,解：电荷元dq的场,由场对称性,由对称性,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。,电场强度的计算,37,38,讨论:,1.环心处：x=0, E=0,2.当 x R,相当于点电荷的场。,39,3.场强极大值位置：,令,40,例4:均匀带电圆盘轴线上一点的场强。 设圆盘带电量为 ，半径为,解：,由上题结果,41,1 xR,2 x R,讨论:,为无限大带电平面,点电荷,42,例:求两个平行无限大均匀带电平面的场强分布。 设面电荷密度分别为 和,直流电路中的