1 静电学基础理论.ppt
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1、第一章、静电学基础理论1-1电荷1-2电场和电场强度 1-3高斯定理1-4 电势差(电位)2物质所带的电,它是物质的固有属性物质所带的电,它是物质的固有属性。不同材料的物体,互相摩擦或紧密接触分离后,都不同材料的物体,互相摩擦或紧密接触分离后,都能吸引灰尘、纸片等轻物体。这时,我们说这物体能吸引灰尘、纸片等轻物体。这时,我们说这物体已处于带电状态,处于这种状态的物体成为带电体。已处于带电状态,处于这种状态的物体成为带电体。自然界中存在着两种不同性质的电荷,一种称为正自然界中存在着两种不同性质的电荷,一种称为正电荷,另一种称为负电荷。电荷,另一种称为负电荷。电荷:电荷:电荷:电荷:电荷的基本性质
2、:电荷的基本性质:电荷的基本性质:电荷的基本性质:电荷与电荷之间存在相互作用力,同性电荷与电荷之间存在相互作用力,同性相斥;异性相吸(静电力)。相斥;异性相吸(静电力)。电量电量电量电量:带电体所带电荷的量值,一般用带电体所带电荷的量值,一般用q表示,在表示,在SI制中,其单位为制中,其单位为库仑(库仑(C C)。1.1 1.1 电荷电荷3基本电荷量:基本电荷量:基本电荷量:基本电荷量:(元电荷)(元电荷)(元电荷)(元电荷)结论:结论:结论:结论:自然界中,电荷总是以一个基本单元的整数倍出现,自然界中,电荷总是以一个基本单元的整数倍出现,电荷的这个特性叫做电荷的这个特性叫做电荷的量子性电荷的
3、量子性。电荷的基本单元就是。电荷的基本单元就是一个电子所带电量的绝对值一个电子所带电量的绝对值基元电荷基元电荷物体带电是由于得失电子所致,当一个中性物体得到电子则物体带电是由于得失电子所致,当一个中性物体得到电子则呈现负电性,而当一个中性物体失去电子则呈现正电性。呈现负电性,而当一个中性物体失去电子则呈现正电性。电荷守恒定律:电荷守恒定律:电荷守恒定律:电荷守恒定律:在一个孤立的带电系统中,无论发生怎样的物理过程,系统在一个孤立的带电系统中,无论发生怎样的物理过程,系统所具有的正负电荷电量的代数和保持不变。所具有的正负电荷电量的代数和保持不变。或者说:电荷只能从一个物体转移到另一个物体,或者从
4、物或者说:电荷只能从一个物体转移到另一个物体,或者从物体的一个部分转移到另一部分。电荷不能被创造,也不能被体的一个部分转移到另一部分。电荷不能被创造,也不能被消灭。消灭。n=1n=1,2 2,3 3,4 常见的宏观物体都由分子、原子组成,任何化学元素常见的宏观物体都由分子、原子组成,任何化学元素的原子,都含有带正电的原子核和一定数量的绕核运动的的原子,都含有带正电的原子核和一定数量的绕核运动的带负电的电子。原子核中含有质子和中子,质子带正电荷,带负电的电子。原子核中含有质子和中子,质子带正电荷,其量值与电子的负电相等,中子不带电。其量值与电子的负电相等,中子不带电。正常状态下,原子核外的电子数
5、目,等于原子核内的正常状态下,原子核外的电子数目,等于原子核内的质子数目,所以原子呈电中性。当物体失去或得到电子时,质子数目,所以原子呈电中性。当物体失去或得到电子时,电子的总数和质子的总数不再相等,就电子的总数和质子的总数不再相等,就呈现电性呈现电性,这时称,这时称该物体静电起电或物体处于带电状态。该物体静电起电或物体处于带电状态。物质的电结构物质的电结构:5氢分子氢分子 氦原子氦原子核外电子核外电子 两个运动状态相差不大两个运动状态相差不大核内质子核内质子 两个运动状态相差很大两个运动状态相差很大第一章 静电学基础理论 在不同的参照系内观察,同一带电粒子的电量不在不同的参照系内观察,同一带
6、电粒子的电量不变,电荷的这一特性叫做变,电荷的这一特性叫做电荷的相对论不变性电荷的相对论不变性 实验结果证明,氢分子和氦分子都是电中性的,实验结果证明,氢分子和氦分子都是电中性的,从而也证明了从而也证明了电荷的电量与其运动状态无关电荷的电量与其运动状态无关 氢分子有两个质子,它们作为两个原子核,氢分子有两个质子,它们作为两个原子核,保持一定的相对距离转动;氦原子中也有两个质保持一定的相对距离转动;氦原子中也有两个质子,但它们组成一个原子核,两个质子紧密的束子,但它们组成一个原子核,两个质子紧密的束缚在一起。氮原子中两个质子的能量比氢分子中缚在一起。氮原子中两个质子的能量比氢分子中两个质子的能量
7、大得多(一百万倍的数量级)。两个质子的能量大得多(一百万倍的数量级)。因而,两者的运动状态有显著的差别因而,两者的运动状态有显著的差别。6一、场的描述一、场的描述Einstein:Einstein:“我们有两种存在:我们有两种存在:实物实物和和场场”,“在物理学中出现了一个新的概念,这是自牛在物理学中出现了一个新的概念,这是自牛顿时代以来最重要的发现:顿时代以来最重要的发现:场场。用来描述物理现。用来描述物理现象的最重要的不是带电体,也不是粒子,而是在象的最重要的不是带电体,也不是粒子,而是在带电体之间或粒子之间的空间的场,这需要用很带电体之间或粒子之间的空间的场,这需要用很大的科学想象力才能
8、理解大的科学想象力才能理解.”1.2 1.2 电场和电场强度电场和电场强度场场 标量场标量场:温度场、密度场温度场、密度场 矢量场矢量场:速度场、引力场、速度场、引力场、电磁场、电磁场、核力场等等。核力场等等。场与分子、原子等组成的实物一样,也具有能量、场与分子、原子等组成的实物一样,也具有能量、动量和质量,所以,场也是一种物质。动量和质量,所以,场也是一种物质。7二、电场二、电场二、电场二、电场 静电场静电场静电场静电场电场:电场:电场:电场:电荷周围存在着的一种特殊物质电荷周围存在着的一种特殊物质。电荷电荷电场电场电荷电荷静电场:静电场:静电场:静电场:相对于观察者相对于观察者静止的静止的
9、电荷所产生的电场电荷所产生的电场电场的重要性质电场的重要性质电场的重要性质电场的重要性质:使电场中的导体或介质分别产生使电场中的导体或介质分别产生静电感应静电感应或或极化现象极化现象。力学性质:力学性质:力学性质:力学性质:电荷在电场中要受到电场力的作用。电荷在电场中要受到电场力的作用。能量性质:能量性质:能量性质:能量性质:电场力对电荷有做功的本领电场力对电荷有做功的本领。即静电场中储即静电场中储存着能量。存着能量。8三、电场强度三、电场强度三、电场强度三、电场强度试验电荷:试验电荷:试验电荷:试验电荷:(1)点电荷)点电荷(2)正电荷)正电荷(3)电量足够小)电量足够小电场中各处的力电场中
10、各处的力学性质不同。学性质不同。结论:结论:1 1、在电场的不同点上放、在电场的不同点上放同样的试验电荷同样的试验电荷q qo o2 2、在电场的同一点上放、在电场的同一点上放不同的试验电荷不同的试验电荷结论:结论:9电场强度定义:电场强度定义:电场强度定义:电场强度定义:单位:单位:单位:单位:NCNC-1 -1 或或或或V/mV/m电场强度的大小为电场强度的大小为电场强度的大小为电场强度的大小为 F/qo。电场强度的方向为电场强度的方向为电场强度的方向为电场强度的方向为正电荷正电荷在该处所受电场在该处所受电场在该处所受电场在该处所受电场力的方向。力的方向。力的方向。力的方向。电场强度是描述
11、场中各点电场强弱的物理量。电场强度是描述场中各点电场强弱的物理量。电场强度是描述场中各点电场强弱的物理量。电场强度是描述场中各点电场强弱的物理量。10三、电场强度叠加原理三、电场强度叠加原理三、电场强度叠加原理三、电场强度叠加原理场强叠加原理:场强叠加原理:场强叠加原理:场强叠加原理:点电荷系电场中某点的场强等于各点电点电荷系电场中某点的场强等于各点电点电荷系电场中某点的场强等于各点电点电荷系电场中某点的场强等于各点电荷单独存在时在该点场强的矢量和。荷单独存在时在该点场强的矢量和。荷单独存在时在该点场强的矢量和。荷单独存在时在该点场强的矢量和。F Fn nqnq1q2q3F F3 3F F2
12、2F F1 1F FPq qo o11四、电场强度的计算四、电场强度的计算四、电场强度的计算四、电场强度的计算1 1 1 1、点电荷的场强:、点电荷的场强:、点电荷的场强:、点电荷的场强:Fqoqr讨论讨论 场强方向场强方向正电荷受力方向正电荷受力方向正电荷正电荷q q,E E与与r r的方向一致,是背向的方向一致,是背向q q的;的;负电荷负电荷q q,E E与与r r的方向相反,是指向的方向相反,是指向q q的;的;122 2 2 2、点电荷系的场强、点电荷系的场强、点电荷系的场强、点电荷系的场强qnq1q2q3Pr1r2r3rn根据场强叠加原理:根据场强叠加原理:根据场强叠加原理:根据场
13、强叠加原理:点电荷系的场强:点电荷系的场强:点电荷系的场强:点电荷系的场强:E13第一章第一章 静电学基础理论静电学基础理论线状带电体:线状带电体:面状带电体:面状带电体:几种典型带电体的场强几种典型带电体的场强:任意带电体:任意带电体:14几种常见的电场线:几种常见的电场线:几种常见的电场线:几种常见的电场线:正点电荷静电场线正点电荷静电场线正点电荷静电场线正点电荷静电场线15负点电荷静电场线负点电荷静电场线负点电荷静电场线负点电荷静电场线16等量同号电荷等量同号电荷17不等量异号电荷不等量异号电荷18正负带电板正负带电板19偶极子:等量异号电荷偶极子:等量异号电荷203 3、电场线密集处电
14、场强,电场线稀疏处电场弱。、电场线密集处电场强,电场线稀疏处电场弱。、电场线密集处电场强,电场线稀疏处电场弱。、电场线密集处电场强,电场线稀疏处电场弱。1 1、电场线起始于正电荷,终止于负电荷,不会中断。、电场线起始于正电荷,终止于负电荷,不会中断。、电场线起始于正电荷,终止于负电荷,不会中断。、电场线起始于正电荷,终止于负电荷,不会中断。2 2、电场线不闭合,不相交。、电场线不闭合,不相交。、电场线不闭合,不相交。、电场线不闭合,不相交。静电场中电场线的特点:静电场中电场线的特点:静电场中电场线的特点:静电场中电场线的特点:4 4、电场线在某点的切线代表该点的场强方向。、电场线在某点的切线代
15、表该点的场强方向。、电场线在某点的切线代表该点的场强方向。、电场线在某点的切线代表该点的场强方向。211-31-3高斯定理高斯定理电场强度通量(电通量)电场强度通量(电通量)电场强度通量(电通量)电场强度通量(电通量)e e e e:通过电场中任一曲面的电场线条数。通过电场中任一曲面的电场线条数。通过电场中任一曲面的电场线条数。通过电场中任一曲面的电场线条数。计算:均匀电场中通过平面计算:均匀电场中通过平面计算:均匀电场中通过平面计算:均匀电场中通过平面S S S S的电通量的电通量的电通量的电通量 22 高斯高斯高斯高斯(K.F.Gauss)(K.F.Gauss)(K.F.Gauss)(K.
16、F.Gauss)是是是是德国物理学家和数学家,德国物理学家和数学家,德国物理学家和数学家,德国物理学家和数学家,他在理论物理和实验物他在理论物理和实验物他在理论物理和实验物他在理论物理和实验物理以及数学方面均有杰理以及数学方面均有杰理以及数学方面均有杰理以及数学方面均有杰出的贡献。他导出的高出的贡献。他导出的高出的贡献。他导出的高出的贡献。他导出的高斯定理表述了电场中通斯定理表述了电场中通斯定理表述了电场中通斯定理表述了电场中通过任一闭合曲面的电通过任一闭合曲面的电通过任一闭合曲面的电通过任一闭合曲面的电通量与该曲面所包围的源量与该曲面所包围的源量与该曲面所包围的源量与该曲面所包围的源电荷之间
17、的定量关系,电荷之间的定量关系,电荷之间的定量关系,电荷之间的定量关系,是静电场的一条基本定是静电场的一条基本定是静电场的一条基本定是静电场的一条基本定理,也是电磁场理论的理,也是电磁场理论的理,也是电磁场理论的理,也是电磁场理论的基本规律之一。基本规律之一。基本规律之一。基本规律之一。真空中的高斯定理:真空中的高斯定理:真空中的高斯定理:真空中的高斯定理:在真空中,通过在真空中,通过在真空中,通过在真空中,通过任一闭合曲面的电场任一闭合曲面的电场任一闭合曲面的电场任一闭合曲面的电场强度通量等于该曲面强度通量等于该曲面强度通量等于该曲面强度通量等于该曲面所包围的所有电荷的所包围的所有电荷的所包
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