静电场的基本规律

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1、2012级物理学专业第一章静电场的基本规律电磁学与电动力学前言（Preface)本章首先介绍电荷的基本概念，从实验事实出发，给出了库仑定律和叠加原理；从库仑定律和叠加原理出发，引入电场强度定义，证明了静电场的两个基本定理——高斯定理和环路定理；举例说明了场强和电势的计算方法。一、本章的基本内容及研究思路本章讨论相对于观察者静止的电荷产生的场——静电场。首先从静电现象的观察开始，认识电荷和物质的电结构，从实验得到二个基本的规律——库仑定律和叠加原理。然后从库仑力是怎样作用的这一问题的讨论，引入电场，定义描述电场属性的两个物理量——电场强度和电势，

2、同时介绍描述电场的形象工具——电场线和等势面。在理论体系方面，本章从库仑定律和叠加原理出发，导出静电场的两个定理——高斯定理和环路定理，进而说明由已知电荷的分布求场强和电势的计算方法。二、本章的基本要求1.确切理解库仑定律和叠加原理；2.正确理解电场强度和电势这二个基本概念，掌握计算场强分布和电势分布的几种方法；3.掌握电通量的概念及电通量的计算方法；4.掌握反映静电场性质的二条基本定理——高斯定理和环路定理，正确理解电场的性质；5.理解电场线的概念，掌握电场线的性质;6.掌握场强的三种计算方法：叠加法，高斯定理法，电势梯度法和电势的两种计算方

3、法：场强积分法，电势叠加法§1静电的基本现象和基本规律电荷（electriccharge)的种类:正、负电荷。自然界中只有两种电荷原子内部质子带正电荷，电子带负电荷，中子不带电，由于正负电荷电量相等，所以整个原子对外不显电性。自然界一切物质都是由原子（或分子）组成。原子是由带负电的电子和带正电的原子核组成。在正常情况下，两种电量相等，物体呈中性。当因某种原因（摩擦、加热、化学变化等）失去或获得一部分电子时，就成为具有吸引其他微小物体的性质的带电体。允许电荷通过的物体叫导体，不允许电荷通过的物体叫绝缘体或电介质。导电性能介于导体和绝缘体之间的物体

4、叫半导体。物体具有不同的导电性，这可用物质的微观结构解释：金属之所以导电，是因为内部存在许多自由电子，它们可以摆脱原子核的束缚而自由地在金属内部运动；酸、碱、盐的水溶液（电解液）之所以导电，是因为内部存在许多能作宏观运动的正、负离子；反之，在绝缘体内部，由于电子受到原子核的束缚，基本上没有自由电子，因而呈绝缘性质；在半导体中导电的粒子（叫做载流子），除带负电的电子外，还有带正电的“空穴”。2、电荷守恒定律实验表明：在一个与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始终保持不变。或者一个电孤立系统的总电荷是不变的。这个原理就是通常

5、称之的电荷守恒定律。所谓“电孤立”系统，指的就是一个没有净电量出入其边界面的物质系统。例如光子不带电，故可以允许光线出、入该系统而不影响这个原理。电荷守恒定律不管在宏观领域还是在微观领域都是成立的。在宏观过程中，物体电荷改变，往往是由于电子的转移而引起的，从一个物体转换到另一个物体（这就是摩擦起电现象）；从物体的一部分转移到另一部分（这就是静电感应现象）。在微观领域中，譬如在核反应和基本粒子的产生、湮没过程。3、电荷的量子性上述物质结构表明：在自然界中，任何带电体的电荷量值总是以某一基本单元的整数倍出现，这个基本单元就是一个质子或一个电子所带电

6、量的绝对值“e”。迄今我们所能测定的一切带电粒子的电荷，都准确地等于这个数值或其整数倍。在基本粒子的夸克模型中，夸克被认为带有分数电荷，但未被实验发现。这表明，量子现象不仅在微观领域存在，而且在宏观领域也存在。事实证明，在许多宏观领域都存在量子现象。§2库仑定律(Coulomb’slaw)（一）库仑定律的建立富兰克林(Franklin)首先发现金属小杯内的软木小球完全不受杯上电荷的影响;在Franklin的建议下，Priestel做了实验——提出问题猜测答案现象与万有引力有相同规律由牛顿力学可知：球壳对放置在壳外的物体有引力，而放置在球壳内任何

7、位置的物体受力为零。类比：电力与距离平方成反比设计实验1769年罗比逊(Robison)首先用直接测量方法确定电力定律，得到两个同号电荷的斥力两个异号电荷的引力比平方反比的方次要小些。（研究结果直到1801年发表才为世人所知）卡文迪西（Cavendish）实验1772年Cavendish遵循Priestel的思想设计了实验验证电力平方反比律，如果实验测定带电的空腔导体的内表面确实没有电荷，就可以确定电力定律是遵从平方反比律的即他测出不大于0.02（未发表，100年以后Maxwell整理他的大量手稿，才将此结果公诸于世。1785年库仑(Coulo

8、mb)测出结果精度与十三年前Cavendish的实验精度相当库仑是扭称专家;电斥力——扭称实验，数据只有几个，且不准确（由于漏电）——不是大量精确的实