緒論庫侖定律2015.3.9

1、1緒論（introduction）2電磁現(xiàn)象電磁現(xiàn)象 電磁學(xué)是經(jīng)典物理學(xué)的重要組成部分。在自然電磁學(xué)是經(jīng)典物理學(xué)的重要組成部分。在自然界中電磁現(xiàn)象也是普遍存在的。界中電磁現(xiàn)象也是普遍存在的。電現(xiàn)象：摩擦起電、閃電、尖端放電等。電現(xiàn)象：摩擦起電、閃電、尖端放電等。3磁現(xiàn)象：磁現(xiàn)象：磁鐵、磁帶、磁懸浮火車等磁鐵、磁帶、磁懸浮火車等。4電磁學(xué)研究內(nèi)容電磁學(xué)研究內(nèi)容1、電荷、電流產(chǎn)生電磁場的規(guī)律。電荷、電流產(chǎn)生電磁場的規(guī)律。2、電場和磁場之間的相互聯(lián)系電場和磁場之間的相互聯(lián)系3、電磁場和物質(zhì)之間的相互作用。電磁場和物質(zhì)之間的相互作用。5電磁學(xué)的發(fā)展歷史電磁學(xué)的發(fā)展歷史任何一門科學(xué)都有其發(fā)展史，它們是人

2、類長期實任何一門科學(xué)都有其發(fā)展史，它們是人類長期實踐活動和理論思維的產(chǎn)物?；仡櫩茖W(xué)發(fā)展史，可踐活動和理論思維的產(chǎn)物?；仡櫩茖W(xué)發(fā)展史，可以獲得科學(xué)方法論上的教益。人類對電磁現(xiàn)象的以獲得科學(xué)方法論上的教益。人類對電磁現(xiàn)象的認(rèn)識有悠久的歷史，可追溯到公元前認(rèn)識有悠久的歷史，可追溯到公元前600年，但年，但僅是在最近二百年中，對電磁現(xiàn)象的認(rèn)識取得了僅是在最近二百年中，對電磁現(xiàn)象的認(rèn)識取得了巨大的進步。巨大的進步。1、1785年，庫倫定律。年，庫倫定律。62、1820年，丹麥物理學(xué)家年，丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)。奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)。3、法國物理學(xué)家安培提、法國物理學(xué)家安培提出了安培定理

3、和分子環(huán)出了安培定理和分子環(huán)流假說。流假說。74、英國物理學(xué)家法拉第、英國物理學(xué)家法拉第為電磁學(xué)的發(fā)展做出了為電磁學(xué)的發(fā)展做出了極其重要的貢獻。極其重要的貢獻。（1）、）、1831年發(fā)現(xiàn)了電磁年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律。感應(yīng)定律。（2）、）、提出了提出了“場場”和和“力線力線”的概念。的概念。這兩個概念在物理學(xué)中具有開創(chuàng)性意義。這兩個概念在物理學(xué)中具有開創(chuàng)性意義。85、1864年，年，英國物理學(xué)家麥英國物理學(xué)家麥克斯韋提出麥克斯韋方程組，克斯韋提出麥克斯韋方程組，概括了當(dāng)時已知的關(guān)于電磁概括了當(dāng)時已知的關(guān)于電磁現(xiàn)象的一切實驗結(jié)果現(xiàn)象的一切實驗結(jié)果 ，該方，該方程組被認(rèn)為是程組被認(rèn)為是19世紀(jì)物理學(xué)世

4、紀(jì)物理學(xué)最輝煌的成就。最輝煌的成就。 根據(jù)方程組得出結(jié)論：存在著根據(jù)方程組得出結(jié)論：存在著電磁波電磁波；電；電磁波在真空中傳播的速度等于光速；光的磁波在真空中傳播的速度等于光速；光的本質(zhì)是電磁波。本質(zhì)是電磁波。 96 6、18881888年年, ,赫茲用振蕩偶赫茲用振蕩偶極子產(chǎn)生電磁波。極子產(chǎn)生電磁波。此后的幾十年中無線廣播、此后的幾十年中無線廣播、電視、無線電遙控、衛(wèi)星通電視、無線電遙控、衛(wèi)星通信等無線電技術(shù)不斷涌現(xiàn)，信等無線電技術(shù)不斷涌現(xiàn)，麥克斯韋理論和赫茲的實驗麥克斯韋理論和赫茲的實驗將人類開創(chuàng)了一個電子技術(shù)將人類開創(chuàng)了一個電子技術(shù)的新時代。的新時代。10電磁學(xué)課程學(xué)習(xí)中的注意事項電磁學(xué)

5、課程學(xué)習(xí)中的注意事項11 電磁學(xué)中涉及的場有靜止電荷產(chǎn)生的靜電場，電流產(chǎn)電磁學(xué)中涉及的場有靜止電荷產(chǎn)生的靜電場，電流產(chǎn)生的磁場，變化磁場產(chǎn)生電場以及變化的電場產(chǎn)生磁場，生的磁場，變化磁場產(chǎn)生電場以及變化的電場產(chǎn)生磁場，這些場當(dāng)然有不同性質(zhì)這些場當(dāng)然有不同性質(zhì)。1、場的概念、場的概念場可以分為場可以分為“標(biāo)量場標(biāo)量場”或或“矢量場矢量場”，例如：，例如：用用U(x.,y,z,t)或或 表示。表示。),(tzyxE 其實其實“場場”的概念并非電磁學(xué)所獨有，力學(xué)體系和的概念并非電磁學(xué)所獨有，力學(xué)體系和熱學(xué)體系也有標(biāo)量場和矢量場的例子，例如：大氣熱學(xué)體系也有標(biāo)量場和矢量場的例子，例如：大氣其中各點的壓

6、力和溫度經(jīng)常是不同的，這就構(gòu)其中各點的壓力和溫度經(jīng)常是不同的，這就構(gòu)成二個標(biāo)量場：壓力場和溫度場；大氣中各點還有成二個標(biāo)量場：壓力場和溫度場；大氣中各點還有不同的風(fēng)向和風(fēng)速，這就構(gòu)成一個矢量場：流速場不同的風(fēng)向和風(fēng)速，這就構(gòu)成一個矢量場：流速場，對于氣象工作者來講，他們每天都在和這些，對于氣象工作者來講，他們每天都在和這些“場場”打交道。打交道。122 2、學(xué)好靜電場是學(xué)好整個電磁學(xué)的關(guān)鍵、學(xué)好靜電場是學(xué)好整個電磁學(xué)的關(guān)鍵 靜電場是學(xué)習(xí)電磁學(xué)中遇到的第一個場，若靜電場是學(xué)習(xí)電磁學(xué)中遇到的第一個場，若能對其中一種場從多方面剖析，集中精力去認(rèn)能對其中一種場從多方面剖析，集中精力去認(rèn)識和掌握它，然后

7、通過識和掌握它，然后通過類比類比，弄清各種場之間，弄清各種場之間的區(qū)別和共同之處，則可較好地掌握其它的場的區(qū)別和共同之處，則可較好地掌握其它的場。133、注意數(shù)學(xué)工具的運用、注意數(shù)學(xué)工具的運用 物理量按其性質(zhì)分為矢量和標(biāo)量（算術(shù)物理量按其性質(zhì)分為矢量和標(biāo)量（算術(shù)量、代數(shù)量），矢量雖復(fù)雜，但有專門論述量、代數(shù)量），矢量雖復(fù)雜，但有專門論述，算術(shù)量很簡單，因為它只有正值，代數(shù)量，算術(shù)量很簡單，因為它只有正值，代數(shù)量可正可負(fù)，在運算中常常出錯（如電荷、電可正可負(fù)，在運算中常常出錯（如電荷、電位差、電流、電動勢、電通量等）。所以在位差、電流、電動勢、電通量等）。所以在學(xué)習(xí)電磁學(xué)時，必須對這些代數(shù)量的正

8、、負(fù)學(xué)習(xí)電磁學(xué)時，必須對這些代數(shù)量的正、負(fù)由來和所代表的意義給予充分的重視，我們由來和所代表的意義給予充分的重視，我們結(jié)合具體內(nèi)容再進行分析和討論。結(jié)合具體內(nèi)容再進行分析和討論。14參考書目參考書目 1.梁燦斌梁燦斌. 電磁學(xué)電磁學(xué).北京：高等教育出版社北京：高等教育出版社 2.程守洙等程守洙等.普通物理學(xué)普通物理學(xué).北京：高等教育北京：高等教育出版社出版社 4.趙凱華趙凱華.新概念物理學(xué)新概念物理學(xué)(電磁學(xué)電磁學(xué))151.1 1.1 庫侖定律庫侖定律該定理給出了兩個點電荷之間的相互作用的規(guī)律，為定量研究電現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)。一一 兩種兩種電荷電荷自然界一切電磁現(xiàn)象都起源于物質(zhì)具有電自然界一切電磁

9、現(xiàn)象都起源于物質(zhì)具有電荷屬性，荷屬性，電現(xiàn)象起源于電荷，電現(xiàn)象起源于電荷，磁現(xiàn)象起源于磁現(xiàn)象起源于電荷運動電荷運動，所以，所以“電荷電荷”概念是電磁學(xué)中的第概念是電磁學(xué)中的第一個重要概念。一個重要概念。人們對于電的認(rèn)識，最初來自人工的摩擦人們對于電的認(rèn)識，最初來自人工的摩擦起電現(xiàn)象和自然界的雷電現(xiàn)象。起電現(xiàn)象和自然界的雷電現(xiàn)象。起電方式起電方式: :摩擦起電與感應(yīng)起電摩擦起電與感應(yīng)起電. .1 1、摩擦起電、摩擦起電兩個不同質(zhì)料的物體，例如絲綢和玻璃棒，毛皮兩個不同質(zhì)料的物體，例如絲綢和玻璃棒，毛皮和硬橡膠棒等，經(jīng)相互摩擦后，都能吸引羽毛、紙片和硬橡膠棒等，經(jīng)相互摩擦后，都能吸引羽毛、紙片等輕

10、微物體。這表明，經(jīng)摩擦后它們獲得了等輕微物體。這表明，經(jīng)摩擦后它們獲得了一種屬性一種屬性，處于一種與原來不同的狀態(tài)，我們稱它為帶電狀態(tài)處于一種與原來不同的狀態(tài)，我們稱它為帶電狀態(tài)，或者說它們帶了電荷。這種處于帶電狀態(tài)的物體，叫或者說它們帶了電荷。這種處于帶電狀態(tài)的物體，叫做帶電體。做帶電體。實驗發(fā)現(xiàn)：自然界中只有兩種電荷。實驗發(fā)現(xiàn)：自然界中只有兩種電荷。用絲綢摩擦用絲綢摩擦過的玻璃棒所帶的電荷為正電荷；用毛皮摩擦過的硬過的玻璃棒所帶的電荷為正電荷；用毛皮摩擦過的硬橡膠棒所帶的電荷為負(fù)電荷。同種電荷相互排斥，異橡膠棒所帶的電荷為負(fù)電荷。同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引種電荷相互吸引。當(dāng)異種電荷

11、在一起時，它們的效應(yīng)當(dāng)異種電荷在一起時，它們的效應(yīng)有互相抵消的作用。有互相抵消的作用。2、感應(yīng)起電、感應(yīng)起電-靜電感應(yīng)靜電感應(yīng) 靜電感應(yīng)實質(zhì)上為電荷轉(zhuǎn)移的過程。靜電感應(yīng)實質(zhì)上為電荷轉(zhuǎn)移的過程。 (a) (b) (c) (d) A B A B 二、電荷守恒定律二、電荷守恒定律 實驗表明：實驗表明：在一個與外界沒有電荷交換的在一個與外界沒有電荷交換的系統(tǒng)內(nèi)，正負(fù)電荷的系統(tǒng)內(nèi)，正負(fù)電荷的代數(shù)和代數(shù)和在任何物理過程在任何物理過程中始終保持不變?；蛘咭粋€電孤立系統(tǒng)的總電中始終保持不變。或者一個電孤立系統(tǒng)的總電荷是不變的。荷是不變的。這個原理就是通常稱之的電荷守這個原理就是通常稱之的電荷守恒定律。所謂恒定

12、律。所謂“電孤立電孤立”系統(tǒng)，指的就是一個系統(tǒng)，指的就是一個沒有凈電量出入其邊界面的物質(zhì)系統(tǒng)。例如光沒有凈電量出入其邊界面的物質(zhì)系統(tǒng)。例如光子不帶電，故可以允許光線出、入該系統(tǒng)而不子不帶電，故可以允許光線出、入該系統(tǒng)而不影響這個原理。影響這個原理。電荷守恒定律不管在宏觀領(lǐng)域還是在微觀電荷守恒定律不管在宏觀領(lǐng)域還是在微觀領(lǐng)域都是成立的。領(lǐng)域都是成立的。在宏觀過程中，物體電荷改變，往往是由在宏觀過程中，物體電荷改變，往往是由于于電子的轉(zhuǎn)移電子的轉(zhuǎn)移而引起的，從一個物體轉(zhuǎn)換到而引起的，從一個物體轉(zhuǎn)換到另一個物體（這就是摩擦起電現(xiàn)象）；從物另一個物體（這就是摩擦起電現(xiàn)象）；從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分

13、（這就是靜電感體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分（這就是靜電感應(yīng)現(xiàn)象）應(yīng)現(xiàn)象）。在微觀領(lǐng)域中，譬如在核反應(yīng)和基本粒子在微觀領(lǐng)域中，譬如在核反應(yīng)和基本粒子的產(chǎn)生、湮沒過程。的產(chǎn)生、湮沒過程。三、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體三、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體1、導(dǎo)體、導(dǎo)體定義：電荷能夠從產(chǎn)生的地方迅速轉(zhuǎn)移或傳定義：電荷能夠從產(chǎn)生的地方迅速轉(zhuǎn)移或傳導(dǎo)到其他部位的物體。導(dǎo)到其他部位的物體。導(dǎo)電原因：自由電荷存在導(dǎo)電原因：自由電荷存在2、絕緣體（又稱電介質(zhì)）、絕緣體（又稱電介質(zhì)）不導(dǎo)電原因：束縛電荷存在不導(dǎo)電原因：束縛電荷存在3、半導(dǎo)體、半導(dǎo)體載流子：電子和空穴載流子：電子和空穴四、電荷的量子化四、電荷的量子化電量的單位在電量的單

14、位在“SISI”制中：庫侖制中：庫侖(C)(C)1、電量：、電量：物體所帶電荷的多少。物體所帶電荷的多少。qQ 或2 2、電荷的量子化、電荷的量子化電量的基本單元電量的基本單元：1|e|=1.6010-19C至今實驗室測出任意帶電體的電量至今實驗室測出任意帶電體的電量: : Q=n|e| Q=n|e| .n.n為整數(shù)為整數(shù)電荷量只能取分立的、不連續(xù)的量值的性質(zhì)，稱為電荷量只能取分立的、不連續(xù)的量值的性質(zhì)，稱為電荷的量子化。電荷的量子化。核子核子電子電子原子原子質(zhì)子質(zhì)子中子中子夸克夸克物質(zhì)的層次結(jié)構(gòu)物質(zhì)的層次結(jié)構(gòu)分子分子 迄今所知迄今所知 ，電子是自然界存在的最小負(fù)電荷，電子是自然界存在的最小負(fù)

15、電荷，質(zhì)子是最小正電荷質(zhì)子是最小正電荷 質(zhì)子還可分嗎？質(zhì)子還可分嗎？一一. .點電荷點電荷 ( (理想模型）理想模型）當(dāng)帶電體的線度比它到其它帶電體之間距離或到當(dāng)帶電體的線度比它到其它帶電體之間距離或到場點（研究點）之間的距離足夠小時場點（研究點）之間的距離足夠小時(dr), (dr), 可可忽略其大小忽略其大小, ,形狀和電荷的分布，將帶電體抽象成形狀和電荷的分布，將帶電體抽象成一個幾何點一個幾何點注意注意: :1)1)點電荷的概念具有相對性點電荷的概念具有相對性; ;2)2)不能看成點電荷的帶電體可看成無窮不能看成點電荷的帶電體可看成無窮多個點電荷的集合，即點電荷組。多個點電荷的集合，即點

16、電荷組。+ +dq場點場點 庫侖定律庫侖定律 二.庫侖定律1.庫侖定律：在慣性參考系中，兩個靜止的點電荷之間的作用力滿足: 122122112rerqqkF1q2q12e e12r r12F1q2q12e e12r12F Fq1施加給q2的作用力單位矢量(1) :力與兩個粒子距離r的平方成反比，作用力的方向沿著這兩個點電荷的連線(2): 力與兩個點電荷所帶電量q1和q2的乘積成正比.(3): 如果電荷符號相同為排斥力， 如果電荷符號相反為吸引力。122122112rerqqkFq2施加給的q1作用力 :212212121rerqqkF庫侖定律符合牛頓第三定律1221FF庫侖常數(shù):022941/

17、100 . 9kCmNk:真空介電常數(shù)：22120/108542. 8mNC1222101241rFrqq2122102141rFrqqq q2 2q q1 1r r12F F12r rq q2 2q q1 1r r21F F21r r其中其中 : :表示點電荷表示點電荷q q1 1對點電荷對點電荷q q2 2的作用力，的作用力， : : 表示點電荷表示點電荷q q2 2對點電荷對點電荷q q1 1的作用力。的作用力。F12F2112220 8.85 10 庫侖牛頓 米 因此，庫侖定律的常用式子寫成：因此，庫侖定律的常用式子寫成：rrqq412210F補充說明四點：補充說明四點： （1 1）真

18、空、點電荷；）真空、點電荷； （2 2）原來庫侖定律是從兩個靜止點電荷得到的實）原來庫侖定律是從兩個靜止點電荷得到的實驗定律，后來大量實驗事實表明，只要驗定律，后來大量實驗事實表明，只要施力電荷靜施力電荷靜止止，即使受力電荷運動，庫侖定律仍然適用。因此，即使受力電荷運動，庫侖定律仍然適用。因此庫侖定律的適用條件可以放寬為：施力電荷必須是庫侖定律的適用條件可以放寬為：施力電荷必須是靜止，受力電荷可以是靜止的，也可以是運動的；靜止，受力電荷可以是靜止的，也可以是運動的； （3 3）庫侖定律和萬有引力定律在數(shù)學(xué)形式上）庫侖定律和萬有引力定律在數(shù)學(xué)形式上極為相似，不同的是，萬有引力總是引力，庫極為相似，不同的是，萬有引力總是引力，