张达宋《大学物理教程（第三版）》第六章 静电场

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1、第二篇电场和磁场电磁学讨论电场和磁场、电磁场与物质的相互作用以及电场和磁场的相互联系等规律及其应用．本篇主要介绍电磁学的基本原理、基本定律及有关的基本概念．虽然人类很早就已经了解天然磁石可以吸引铁器，经摩擦后的琥珀能够吸引轻小物体，但是在很长的时期内都仅仅停留在对电现象和磁现象的观察上．到了18世纪，卡文迪许和库仑等开创了用近代的科学方法对电磁现象的研究．1820年奥斯特在实验中发现电流对罗盘磁针指向产生的影响，从而建立了电学和磁学之间的联系．在法拉第引入场的现念和场线的图像之后，1862年，麦克斯韦将先前物理学家们发现的电磁学规律提升归结为一个统一而完整的理论，建立了麦克斯韦电磁学

2、方程组．正是在这个完美的理论基础之上，才出现了现代社会生产和生活中无处不见的各种电磁与光学设备和器件．例如电动机与发电机、无线电发射与接收装置、电子通讯与光通讯设备、激光与雷达、射电天文望远镜、电子计算机以及回旋加速器等等．本篇包括静电场、静电场中的导体和电介质、恒定电流的磁场、电磁感应及电磁场理论的基本概念等四章．第六章静电场相对于观察者为静止的电荷所产生的电场称为静电场．本章讨论真空中的静电场，下一章讨论有介质时的静电场．为了描述电场的性质，本章将介绍用以描写电场性质的两个物理量——电场强度及电势，还要介绍反映静电场性质的一些基本定理——高斯定理及静电场环路定理等．§6－1电荷库

3、仑定律一、电荷人们对电的认识最初来源于摩擦起电．不同质料的两个物体，例如丝绸和玻璃棒，互相摩擦过后都能吸引轻小的物体，如纸屑等．物体被摩擦过后具有吸引轻物的性质时，我们就说它带了电或有了电荷．带了电的物体称为带电体，有时小的带电体也简称为电荷．大量实验证明电荷只有两种．一种叫做正电荷，另一种叫做负电荷．用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷是正电荷，用毛皮摩擦过的胶木棒所带的电荷是负电荷．同号电荷相斥，异号电荷相吸．图6－1物体在正常状态下，它内部的正电荷和负电荷量值相等，对外不显示带电，即呈电中性．用毛皮摩擦过的胶木棒带负电是由于摩擦时毛皮与胶木棒紧密接触，毛皮中有一部分电子转移到胶木棒上

4、，结果胶木棒因获得电子而带负电．毛皮因失去电子而带等量的正电．一般地说，使物体带电就是使它获得多余的电子或从它取出一些电子．获得多余电子的物体带负电，从其中取出电子的物体带正电．根据带电体之间的相互作用力，我们能够确定物体所带电荷的多少，表示物体所带电荷多少的物理量称为电荷量(或电荷)，通常用Q或q表示．正电荷的电荷量用正值表示，负电荷的电荷量用负值表示．34如图6－1所示的验电器是一种检测电荷与电荷量的最简单的仪器．电荷量的国际单位为库仑，简称为库，符号为C．例如质子带的电荷量为1.602×10-19C，电子带的电荷量为-1.602×10-19C．实验证明：当有一种电荷出现时，必然

5、有等量的异号电荷同时出现；当有一种电荷消失时，必然有等量的异号电荷同时消失．例如在摩擦起电的过程中或γ射线穿过铅板产生正、负电子对时，都有等量的正、负电荷同时出现．当正、负电子对复合成γ光子时，等量的正、负电荷同时消失．因此，在一个与外界没有电荷交换的系统内，不论发生什么样的过程，系统内一切正、负电荷的代数和总是保持不变，这就是电荷守恒定律．它是物理学的基本定律之一．在1906~1913年期间，美国物理学家密立根完成了一系列实验，用油滴法测定了电子电荷．在不断改进实验方法，获得大量的观测数据后，证明了微小粒子所带电荷量都是一个元电荷的整数倍．迄今为止的大量实验表明，自然界中所观察到的

6、电荷都是元电荷的整数倍，电子是自然界存在的最小的负电荷，质子是最小的正电荷，它们的电荷量都等于元电荷，这个元电荷为1.602×10-19C，以e表示．这就是说一个物体所带的电荷不能连续地变化，只能取分立的不连续的值，这称为电荷的量子化．图6－2由于元电荷e很小，在宏观现象中遇到的电荷量比e大得很多，在一般情况下，电荷的量子性表现不出来．在讨论宏观带电体时可不考虑电荷的量子性，而视为电荷连续分布来处理．密立根的油滴实验装置的原理如图6－2所示．从喷雾器喷出的油滴通过上面一块平板中间的小孔进入带电的两平行金属平板之间，油滴因与喷嘴摩擦而带电．通过望远镜可以观察到暗背景中被光源照亮的油滴．

7、油滴在重力、电场力和空气的粘滞阻力作用下运动．改变两平行金属平板之间的电场大小和方向，可以筛选出适当的油滴，通过测定其下落的终极速度计算出所带电荷量．二、库仑定律库仑定律是关于两个点电荷相互作用的定律．我们首先介绍点电荷概念．两个带电体之间的相互作用力不仅与它们所带电荷量的多少以及它们间的距离有关，而且还与它们的形状和大小以及电荷量分布情况有关．但当每一带电体的线度(即带电体上每两点间的距离的最大值)与它们间的距离相较甚小时，它们的形状和大小以及电荷量分布