大学物理静电学一.ppt

电磁学是研究电磁现象及其规律的学科电磁学是研究电磁现象及其规律的学科 研究对象研究对象力学研究对象力学研究对象电磁学的研究对象电磁学的研究对象“实物实物”“场场”1 1实物与场的共同点实物与场的共同点物质性物质性多样性多样性电磁学引言电磁学引言2 2实物与场的不同点实物与场的不同点a a场具有场具有广延性广延性： 弥漫在整个空间中弥漫在整个空间中 实物具有实物具有粒子性粒子性： 占据一有限空间占据一有限空间b b场具有场具有相容性相容性：在同一空间区域可以同时：在同一空间区域可以同时 有多个场存在有多个场存在 实物具有实物具有排它性排它性：c c场的分布具有场的分布具有连续性连续性： 实物在空间分布具有实物在空间分布具有离散性离散性： 研究方法研究方法1 1由广延性可知，描述场性质的物理量应是由广延性可知，描述场性质的物理量应是 时间、空间坐标时间、空间坐标的函数的函数 2 2引入引入通量、环流通量、环流等新的概念等新的概念3 3图示法图示法描述场的分布特征：描述场的分布特征： 如电力线、如电力线、 等势面、磁力线等势面、磁力线 研究内容研究内容静电场静电场稳恒磁场稳恒磁场涡旋电场涡旋电场变化电场产生的磁场变化电场产生的磁场第一章第一章 静静 电电 场场1 1 电荷、库仑定律电荷、库仑定律 一、电荷一、电荷（1 1电荷是基本粒子的一种属性电荷是基本粒子的一种属性 一切电磁现象都源于带电粒子以及带电粒子的运动一切电磁现象都源于带电粒子以及带电粒子的运动“带电带电”2 2电荷的种类：电荷的种类：正电荷、负电荷正电荷、负电荷同性电荷相斥，异性电荷相吸同性电荷相斥，异性电荷相吸3 3电荷的量子性电荷的量子性 电荷的多少称为电量，单位电荷的多少称为电量，单位C C，电荷的电量有一最小值，电荷的电量有一最小值，就是一个电子或质子所带电量就是一个电子或质子所带电量 e e =1.60217733X10=1.60217733X10-19 -19 C C 任何粒子和物体所带电量都是任何粒子和物体所带电量都是 e e 的整数倍的整数倍 1906-19171906-1917年，密立根用液滴法首先从实验上证明年，密立根用液滴法首先从实验上证明4 4电荷守恒定律：电荷守恒定律： 在一个孤立系统中，系统所具有的正负电荷的在一个孤立系统中，系统所具有的正负电荷的电量的代数和总是保持不变电量的代数和总是保持不变e e+ + e+ e- - =2=2 5 5电荷的运动不变性电荷的运动不变性 一个电荷其电量与它的运动速度和加速度无关一个电荷其电量与它的运动速度和加速度无关 6 6电荷基本力学性质电荷基本力学性质 在带电物体间存在相互作用在带电物体间存在相互作用 “ “ 带同性电荷物体相斥，带异性电荷物体相带同性电荷物体相斥，带异性电荷物体相吸吸” ” 表明：表明：任何系统所带电荷的电量与参照系无关，任何系统所带电荷的电量与参照系无关， 即电荷具有相对论不变性即电荷具有相对论不变性这是一切电现象的根源，这是一切电现象的根源，研究带电物体间的相互作用规律是研究电学的基础研究带电物体间的相互作用规律是研究电学的基础 首先研究两个静止带电物体的相互作用规律首先研究两个静止带电物体的相互作用规律点电荷点电荷一个形状和大小可以不计的带电粒子或带电物体一个形状和大小可以不计的带电粒子或带电物体说明：说明： 理想化模型理想化模型 实际问题实际问题当带电体尺度远小于带电体之间的距离，当带电体尺度远小于带电体之间的距离，大小和形状对研究问题没有影响或忽略不计时，大小和形状对研究问题没有影响或忽略不计时，带电体可视为点电荷带电体可视为点电荷类似于力学中的类似于力学中的质点质点二、库仑定律二、库仑定律17851785年，库仑通过扭称实验得到年，库仑通过扭称实验得到1.1.表述表述在真空中，两个静止点电荷间的相互作用力，在真空中，两个静止点电荷间的相互作用力，其方向沿两个点电荷的连线，其方向沿两个点电荷的连线，同种电荷相斥，异种电荷相吸；同种电荷相斥，异种电荷相吸；其大小与两点电荷的电量的乘积成正比，其大小与两点电荷的电量的乘积成正比， 与它们之间的距离的平方成反比与它们之间的距离的平方成反比1q2qr12f21f1q2qr12f21f221rqqf 2.2.公式公式fff 2112221rqqKf 1q2qr12f21f大小大小rrqqKf221211q2qr12f21f矢量形式矢量形式r 选取由选取由 指向指向 的单位矢量，的单位矢量，库仑定律可表示为库仑定律可表示为1q2qrrqqKf221123.3. 常数常数 K KK 140 Km Nc910922/SINmC2212010858 .真空介电常量真空介电常量 真空电容率真空电容率rrqqff42021122120214rqqf 1) 1) 基本实验规律基本实验规律 宏观宏观 微观微观 适用适用2) 2) 适用条件适用条件 真空真空 静止点电荷静止点电荷3)3) 介质中介质中 （均匀各向同性）（均匀各向同性）讨论讨论2214rqqf ijijifF三三. .电力叠加原理电力叠加原理空间中存在多个点电荷，某个点电荷受到来自空间中存在多个点电荷，某个点电荷受到来自其它点电荷的总电力应等于所有其它点电荷其它点电荷的总电力应等于所有其它点电荷单独作用时的电力的矢量和单独作用时的电力的矢量和 ijijijjirrqq24例例1.1.氢原子核中的质子与核外电子之间的距离氢原子核中的质子与核外电子之间的距离求它们之间的静电力以及万有引力求它们之间的静电力以及万有引力. .mr15105190 .解解: :2024ref 静静215219910519010611009).().(. N810238 .2rmmGfep 万万21527311110519010671101910676).(. N4710643 .例例2.2.一长为一长为l l 带电体，带电量为带电体，带电量为 q q，沿，沿l l 长度方长度方向距带电体一端距离向距带电体一端距离 a a 处有一点电荷处有一点电荷q q 0 0 ，求带电体与点电荷之间的静电力求带电体与点电荷之间的静电力q0q解：解：2004aqqfla由库仑定律由库仑定律库仑定律适用条件？库仑定律适用条件？解：解：lq drdq 2004rdqqdf 2004rdrq alardrqf2004 11400alaq q0qladr)(1400alaqq la 2004aqqf r问题：问题：电荷间的静电力是如何传递的？电荷间的静电力是如何传递的？两种观点：两种观点：超距作用超距作用不需要介质，不需要时间不需要介质，不需要时间近距作用近距作用场的观点场的观点任何电荷都在其周围空间激发电场，任何电荷都在其周围空间激发电场，而电场的基本特征是而电场的基本特征是对处在其中的任何电荷都有作用力对处在其中的任何电荷都有作用力电荷电荷A A电荷电荷B B电场电场激发激发作用作用理论和大量的事实证明理论和大量的事实证明场的观点场的观点是正确的是正确的电场是什么？电场是什么？ 电场是物质存在的一种具体形态电场是物质存在的一种具体形态 电场的形式是多种多样的电场的形式是多种多样的 电场具有电场具有广延性广延性 电场的基本特征电场的基本特征 电场对处于其中的电荷有电场对处于其中的电荷有力力的作用的作用 在电场中移动电荷，电场力要作功在电场中移动电荷，电场力要作功电场力电场力库仑力库仑力静电力静电力静电场静电场静止电荷产生的电场静止电荷产生的电场如何描述电场？如何描述电场？利用利用场场的力学特性定义一个描述电场性质的物理量的力学特性定义一个描述电场性质的物理量 空间坐标的函数，反映空间各点空间坐标的函数，反映空间各点 电场的性质。（电场的性质。（广延性广延性） 矢量矢量 （力学特性力学特性） 只反映电场本身的性质只反映电场本身的性质要求要求方法方法找一试探电荷，测量空间各点电场力的情况找一试探电荷，测量空间各点电场力的情况试探电荷试探电荷 所带电量尽可能地所带电量尽可能地少少， 以致不会对原有电场产生显著影响以致不会对原有电场产生显著影响 线度必须尽可能地线度必须尽可能地小小以致可以被看作点电荷，以致可以被看作点电荷， 能用来确定场中每一点的性质能用来确定场中每一点的性质0q实验结果实验结果1)1) 同一同一q q0 0，不同场点，不同场点 q q0 0 所受电场力的大小和方向不同所受电场力的大小和方向不同2)2) 同一场点，不同量值同一场点，不同量值 q q0 0 q q0 0 所受电场力的方向确定不变的，所受电场力的方向确定不变的， 但电场力的大小却和但电场力的大小却和 q q0 0 的量值成正比的量值成正比发现发现0qF不同场点不同不同场点不同与试探电荷无关与试探电荷无关比值定义为描述电场性质的物理量比值定义为描述电场性质的物理量电场强度电场强度二、电场强度二、电场强度定义定义E0qFE 试探电荷在电场某点所受电场力试探电荷在电场某点所受电场力与试探电荷电量之比，称作与试探电荷电量之比，称作电场强度电场强度。记作。记作单位：单位：CN /简称简称场强场强矢量矢量说明说明v 物理意义：物理意义：电场某点的电场强度等于电场某点的电场强度等于 单位正电荷在该点所受电场力单位正电荷在该点所受电场力0qFE 0qFE 大小大小方向方向00 q00 q方向与方向与 方向相同方向相同EF方向与方向与 方向相反方向相反EF说明说明v电场强度是描述电场强弱的物理量电场强度是描述电场强弱的物理量0qFE 电场强度大的地方，电荷在该点受到的电场力就大，电场强度大的地方，电荷在该点受到的电场力就大，电场强度小的地方，电荷在该点受到的电场力就小电场强度小的地方，电荷在该点受到的电场力就小正电荷在该点受到的电场力的方向与电场强度的方向正电荷在该点受到的电场力的方向与电场强度的方向相同；相同；负电荷在该点受到的电场力的方向与电场强度的方向负电荷在该点受到的电场力的方向与电场强度的方向相反。相反。v 矢量性矢量性),(zyxEE是空间坐标的函数是空间坐标的函数电场是一个矢量场电场是一个矢量场v 如果已知场强空间分布，计算电荷所受电场力如果已知场强空间分布，计算电荷所受电场力EqF 能否根据电荷分布计算场强分布呢？能否根据电荷分布计算场强分布呢？如何知道场强的分布呢？如何知道场强的分布呢？通常已知电荷分布通常已知电荷分布根据点电荷的场强公式，以及场强迭加原理根据点电荷的场强公式，以及场强迭加原理可以计算任何电荷分布所激发电场的场强可以计算任何电荷分布所激发电场的场强 qdqEFE的方向为正电荷所受电场力的方向的方向为正电荷所受电场力的方向三三. .电场强度的计算电场强度的计算1.1.点电荷的场强公式点电荷的场强公式rrqqf2004 0qfE rrqE204 大小分布具有大小分布具有 球对称球对称q0q r由库仑定律由库仑定律由场强定义由场强定义r讨论讨论 r从源电荷指向场点从源电荷指向场点 场强方向场强方向由上述由上述两式得两式得2.2.点电荷系点电荷系如图，带电体由如图，带电体由 n n 个点电荷组成个点电荷组成iq niiiff10qir由电力叠由电力叠加原理加原理iiiirrqqf2004 由库仑定律由库仑定律0qfE 由场强定义由场强定义niiiniiiqfqf10010qfEiiEEii整理后得整理后得或或iniiiirrqE 1204iq0qiriiiirrqqf2004 0qfEii0qfE niiiniiiqfqf1001第第i i点电荷单独存在时点电荷单独存在时在该点所激发的场强在该点所激发的场强3.3.场强叠加原理场强叠加原理EEiiiqqir或或iniiiirrqE4120点电荷系在空间任一点激发的总场强等于点电荷系在空间任一点激发的总场强等于各个点电荷单独存在时在该点所激发的场强各个点电荷单独存在时在该点所激发的场强的矢量和的矢量和rrdqEdEqq 204dEqdqP Pr4.4.电荷连续分布带电体电荷连续分布带电体如图，