緒論庫(kù)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(chē)等磁鐵、磁帶、磁懸浮火車(chē)等。4電磁學(xué)研究?jī)?nèi)容電磁學(xué)研究?jī)?nèi)容1、電荷、電流產(chǎn)生電磁場(chǎng)的規(guī)律。電荷、電流產(chǎn)生電磁場(chǎng)的規(guī)律。2、電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間的相互聯(lián)系電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間的相互聯(lián)系3、電磁場(chǎng)和物質(zhì)之間的相互作用。電磁場(chǎng)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(mén)科學(xué)都有其發(fā)展史，它們是人

2、類(lèi)長(zhǎng)期實(shí)任何一門(mén)科學(xué)都有其發(fā)展史，它們是人類(lèi)長(zhǎng)期實(shí)踐活動(dòng)和理論思維的產(chǎn)物?；仡櫩茖W(xué)發(fā)展史，可踐活動(dòng)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(lèi)對(duì)電磁現(xiàn)象的以獲得科學(xué)方法論上的教益。人類(lèi)對(duì)電磁現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)有悠久的歷史，可追溯到公元前認(rèn)識(shí)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(duì)電磁現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)取得了僅是在最近二百年中，對(duì)電磁現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)取得了巨大的進(jìn)步。巨大的進(jìn)步。1、1785年，庫(kù)倫定律。年，庫(kù)倫定律。62、1820年，丹麥物理學(xué)家年，丹麥物理學(xué)家?jiàn)W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(guó)物理學(xué)家安培提、法國(guó)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(shuō)。流假說(shuō)。74、英國(guó)物理學(xué)家法拉第、英國(guó)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(xiàn)。極其重要的貢獻(xiàn)。（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(chǎng)場(chǎng)”和和“力線(xiàn)力線(xiàn)”的概念。的概念。這兩個(gè)概念在物理學(xué)中具有開(kāi)創(chuàng)性意義。這兩個(gè)概念在物理學(xué)中具有開(kāi)創(chuàng)性意義。85、1864年，年，英國(guó)物理學(xué)家麥英國(guó)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(shí)已知的關(guān)于電磁概括了當(dāng)時(shí)已知的關(guān)于電磁現(xiàn)象的一切實(shí)驗(yàn)結(jié)果現(xiàn)象的一切實(shí)驗(yàn)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(wú)線(xiàn)廣播、此后的幾十年中無(wú)線(xiàn)廣播、電視、無(wú)線(xiàn)電遙控、衛(wèi)星通電視、無(wú)線(xiàn)電遙控、衛(wèi)星通信等無(wú)線(xiàn)電技術(shù)不斷涌現(xiàn)，信等無(wú)線(xiàn)電技術(shù)不斷涌現(xiàn)，麥克斯韋理論和赫茲的實(shí)驗(yàn)麥克斯韋理論和赫茲的實(shí)驗(yàn)將人類(lèi)開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)電子技術(shù)將人類(lèi)開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)電子技術(shù)的新時(shí)代。的新時(shí)代。10電磁學(xué)課程學(xué)習(xí)中的注意事項(xiàng)電磁學(xué)

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

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

7、通過(guò)識(shí)和掌握它，然后通過(guò)類(lèi)比類(lèi)比，弄清各種場(chǎng)之間，弄清各種場(chǎng)之間的區(qū)別和共同之處，則可較好地掌握其它的場(chǎng)的區(qū)別和共同之處，則可較好地掌握其它的場(chǎng)。133、注意數(shù)學(xué)工具的運(yùn)用、注意數(shù)學(xué)工具的運(yùn)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(zhuān)門(mén)論述量、代數(shù)量），矢量雖復(fù)雜，但有專(zhuān)門(mén)論述，算術(shù)量很簡(jiǎn)單，因?yàn)樗挥姓?，代?shù)量，算術(shù)量很簡(jiǎn)單，因?yàn)樗挥姓?，代?shù)量可正可負(fù)，在運(yùn)算中常常出錯(cuò)（如電荷、電可正可負(fù)，在運(yùn)算中常常出錯(cuò)（如電荷、電位差、電流、電動(dòng)勢(shì)、電通量等）。所以在位差、電流、電動(dòng)勢(shì)、電通量等）。所以在學(xué)習(xí)電磁學(xué)時(shí)，必須對(duì)這些代數(shù)量的正

8、、負(fù)學(xué)習(xí)電磁學(xué)時(shí)，必須對(duì)這些代數(shù)量的正、負(fù)由來(lái)和所代表的意義給予充分的重視，我們由來(lái)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(jìn)行分析和討論。結(jié)合具體內(nèi)容再進(jìn)行分析和討論。14參考書(shū)目參考書(shū)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(kù)侖定律庫(kù)侖定律該定理給出了兩個(gè)點(diǎn)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(yùn)動(dòng)電荷運(yùn)動(dòng)，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(gè)重要概念。一個(gè)重要概念。人們對(duì)于電的認(rèn)識(shí)，最初來(lái)自人工的摩擦人們對(duì)于電的認(rèn)識(shí)，最初來(lái)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(gè)不同質(zhì)料的物體，例如絲綢和玻璃棒，毛皮兩個(gè)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(lái)不同的狀態(tài)，我們稱(chēng)它為帶電狀態(tài)處于一種與原來(lái)不同的狀態(tài)，我們稱(chēng)它為帶電狀態(tài)，或者說(shuō)它們帶了電荷。這種處于帶電狀態(tài)的物體，叫或者說(shuō)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：自然界中只有兩種電荷。實(shí)驗(yàn)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(guò)的玻璃棒所帶的電荷為正電荷；用毛皮摩擦過(guò)的硬過(guò)的玻璃棒所帶的電荷為正電荷；用毛皮摩擦過(guò)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(shí)，它們的效應(yīng)當(dāng)異種電荷在一起時(shí)，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(shí)質(zhì)上為電荷轉(zhuǎn)移的過(guò)程。靜電感應(yīng)實(shí)質(zhì)上為電荷轉(zhuǎn)移的過(guò)程。 (a) (b) (c) (d) A B A B 二、電荷守恒定律二、電荷守恒定律 實(shí)驗(yàn)表明：實(shí)驗(yàn)表明：在一個(gè)與外界沒(méi)有電荷交換的在一個(gè)與外界沒(méi)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(guò)程在任何物理過(guò)程中始終保持不變?；蛘咭粋€(gè)電孤立系統(tǒng)的總電中始終保持不變?；蛘咭粋€(gè)電孤立系統(tǒng)的總電荷是不變的。荷是不變的。這個(gè)原理就是通常稱(chēng)之的電荷守這個(gè)原理就是通常稱(chēng)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(gè)系統(tǒng)，指的就是一個(gè)沒(méi)有凈電量出入其邊界面的物質(zhì)系統(tǒng)。例如光沒(méi)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(xiàn)出、入該系統(tǒng)而不子不帶電，故可以允許光線(xiàn)出、入該系統(tǒng)而不影響這個(gè)原理。影響這個(gè)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(guò)程中，物體電荷改變，往往是由在宏觀過(guò)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(gè)物體轉(zhuǎn)換到而引起的，從一個(gè)物體轉(zhuǎn)換到另一個(gè)物體（這就是摩擦起電現(xiàn)象）；從物另一個(gè)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(méi)過(guò)程。的產(chǎn)生、湮沒(méi)過(guò)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(chēng)電介質(zhì)）、絕緣體（又稱(chēng)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(kù)侖制中：庫(kù)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(shí)驗(yàn)室測(cè)出任意帶電體的電量至今實(shí)驗(yàn)室測(cè)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(chēng)為電荷量只能取分立的、不連續(xù)的量值的性質(zhì)，稱(chēng)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(diǎn)電荷點(diǎn)電荷 ( (理想模型）理想模型）當(dāng)帶電體的線(xiàn)度比它到其它帶電體之間距離或到當(dāng)帶電體的線(xiàn)度比它到其它帶電體之間距離或到場(chǎng)點(diǎn)（研究點(diǎn)）之間的距離足夠小時(shí)場(chǎng)點(diǎn)（研究點(diǎn)）之間的距離足夠小時(shí)(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(gè)幾何點(diǎn)一個(gè)幾何點(diǎn)注意注意: :1)1)點(diǎn)電荷的概念具有相對(duì)性點(diǎn)電荷的概念具有相對(duì)性; ;2)2)不能看成點(diǎn)電荷的帶電體可看成無(wú)窮不能看成點(diǎn)電荷的帶電體可看成無(wú)窮多個(gè)點(diǎn)電荷的集合，即點(diǎn)電荷組。多個(gè)點(diǎn)電荷的集合，即點(diǎn)

16、電荷組。+ +dq場(chǎng)點(diǎn)場(chǎng)點(diǎn) 庫(kù)侖定律庫(kù)侖定律 二.庫(kù)侖定律1.庫(kù)侖定律：在慣性參考系中，兩個(gè)靜止的點(diǎn)電荷之間的作用力滿(mǎn)足: 122122112rerqqkF1q2q12e e12r r12F1q2q12e e12r12F Fq1施加給q2的作用力單位矢量(1) :力與兩個(gè)粒子距離r的平方成反比，作用力的方向沿著這兩個(gè)點(diǎn)電荷的連線(xiàn)(2): 力與兩個(gè)點(diǎn)電荷所帶電量q1和q2的乘積成正比.(3): 如果電荷符號(hào)相同為排斥力， 如果電荷符號(hào)相反為吸引力。122122112rerqqkFq2施加給的q1作用力 :212212121rerqqkF庫(kù)侖定律符合牛頓第三定律1221FF庫(kù)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(diǎn)電荷表示點(diǎn)電荷q q1 1對(duì)點(diǎn)電荷對(duì)點(diǎn)電荷q q2 2的作用力，的作用力， : : 表示點(diǎn)電荷表示點(diǎn)電荷q q2 2對(duì)點(diǎn)電荷對(duì)點(diǎn)電荷q q1 1的作用力。的作用力。F12F2112220 8.85 10 庫(kù)侖牛頓 米 因此，庫(kù)侖定律的常用式子寫(xiě)成：因此，庫(kù)侖定律的常用式子寫(xiě)成：rrqq412210F補(bǔ)充說(shuō)明四點(diǎn)：補(bǔ)充說(shuō)明四點(diǎn)： （1 1）真

18、空、點(diǎn)電荷；）真空、點(diǎn)電荷； （2 2）原來(lái)庫(kù)侖定律是從兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷得到的實(shí)）原來(lái)庫(kù)侖定律是從兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷得到的實(shí)驗(yàn)定律，后來(lái)大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明，只要驗(yàn)定律，后來(lái)大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明，只要施力電荷靜施力電荷靜止止，即使受力電荷運(yùn)動(dòng)，庫(kù)侖定律仍然適用。因此，即使受力電荷運(yùn)動(dòng)，庫(kù)侖定律仍然適用。因此庫(kù)侖定律的適用條件可以放寬為：施力電荷必須是庫(kù)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(yùn)動(dòng)的；靜止，受力電荷可以是靜止的，也可以是運(yùn)動(dòng)的； （3 3）庫(kù)侖定律和萬(wàn)有引力定律在數(shù)學(xué)形式上）庫(kù)侖定律和萬(wàn)有引力定律在數(shù)學(xué)形式上極為相似，不同的是，萬(wàn)有引力總是引力，庫(kù)極為相似，不同的是，萬(wàn)有引力總是引力，