電力與電場-14

1、電力與電場(Electric Forces and Fields) 1電荷的形式 電荷的形式有兩種；一種稱為正電，另一種稱為負電。一系統(tǒng)中的淨(jìng)電荷是其組成粒子的電荷代數(shù)和 注意要包含正、負符號。一個電中性的物體有相同數(shù)量的正負電荷，因此淨(jìng)電荷為零。質(zhì)子的電荷為正，電子的電荷為負,一個中性原子有相同數(shù)量的質(zhì)子和電子，達到正負電荷的平衡。如果電子和質(zhì)子的數(shù)量不相等，那麼此原子就稱為離子。 2基本電荷 質(zhì)子和電子有相同的電荷量，此電荷量稱為基本電荷(符號e)，此乃電荷之最小單位。 同性電相斥， 異性電相吸。3質(zhì)子、電子、中子之質(zhì)量及電荷 4當(dāng)你走過地毯、伸手與朋友握手而給朋友一個無意的電擊時，轉(zhuǎn)移的

2、電荷量一般大約為1 nC。(a) 如果此電荷的轉(zhuǎn)移是只靠電子，那麼有多少個電子被轉(zhuǎn)移呢？(b) 如果你的身體有的淨(jìng)電量，計算過剩電子的百分比？( 提示：電子的質(zhì)量大約是核子質(zhì)量的1/2000，所以身體大多數(shù)的重量是核子們的重量。存在於身體中多數(shù)的原子 ( 例如碳、氮、氧 ) 大約有相同的質(zhì)子與中子的數(shù)目。一個重要的例外是氫，在它最普通的形式中是有一個質(zhì)子而沒有中子。由於問題只需一個數(shù)量級的計算，不需要很大的精確度；我們可以假設(shè)1/2的核子是質(zhì)子。 一個無意的電擊5解答：(a) 被轉(zhuǎn)移的電子數(shù)目等於被轉(zhuǎn)移的電量除以每個電子的電量： 注意轉(zhuǎn)移的電量大小是1 nC，但由於它是由電子來轉(zhuǎn)移的，所以轉(zhuǎn)移

3、的電量是負的。 (b) 我們身體質(zhì)量大約70 kg來估計。身體大多數(shù)的重量是核子們的重量，所以6假設(shè)約有1/2的核子是質(zhì)子， 在一個電中性物體中，電子的數(shù)目等於質(zhì)子的數(shù)目。由於淨(jìng)電荷為 ，物體有 個額外的電子。則過剩電子的百分比為 討論：由這個例子可知，帶電的巨大物體只有微小的正電荷與負電荷數(shù)量之間的差異。基於這個理由，巨大物體之間的電力常被忽略。 7極化 一個電中性的物體內(nèi)部有正電荷與負電荷的區(qū)域，兩者彼此互相分開，這樣的物體是“被極化的”。一個被極化的物體，即使它的淨(jìng)電荷為零還是可以感受到電力。 8(a) 帶負電的橡膠棒吸引一些小紙片；(b) 帶正電的玻璃棒吸引一些小紙片；(c) 一小紙片

4、中許多極化分子的放大圖。9導(dǎo)體與絕緣體 一般的物質(zhì)由包含電子與原子核的原子所組成。電子被原子核束縛的程度差異極大。電荷能容易地移動的物質(zhì)稱為電導(dǎo)體，而電荷較不易於移動的物質(zhì)則稱為絕緣體。 一般而言,金屬為良導(dǎo)體,電子在金屬中自由地漫遊;而大部份的非金屬則非導(dǎo)體。純水是一個絕緣體, 但一般的水含有雜質(zhì),因此可視為導(dǎo)體 。導(dǎo)電性介於導(dǎo)體與絕緣體之間的稱為半導(dǎo)體。 10摩擦帶電 將兩個絕緣體互相摩擦可以將電荷分離。( 其中一個帶正電,另一個帶負電乾燥空氣中最容易產(chǎn)生帶電。當(dāng)溼度高的時候，物體的表面上會凝結(jié)一水分薄膜；此時電荷更容易漏失掉，所以建立電荷是困難的。 導(dǎo)體因為電荷可以自由流動,並不容易以摩

5、擦的方式帶電。導(dǎo)體要帶電可以用另一個帶電體與其接觸,多餘的電荷便會流入導(dǎo)體。11導(dǎo)體充電：(a)在絲綢摩擦玻璃棒後，玻璃棒帶淨(jìng)的正電荷且絲綢帶淨(jìng)的負電荷；(b)將玻璃棒觸碰一金屬球。帶正電的玻璃棒會從金屬吸引一些自由電子到玻璃棒上；(c)玻璃棒被移開。金屬球的電子比質(zhì)子少，所以它有淨(jìng)的正電荷。即使實際上是負電荷被轉(zhuǎn)移(電子)，通常我們說“正電荷被轉(zhuǎn)移到金屬上”，因為此淨(jìng)效應(yīng)是相同的。12接地 地球是一個導(dǎo)體。地球是足夠大的，對許多情況而言可以將它視為一個無限制的電荷庫。 將一個導(dǎo)體接地指的是在導(dǎo)體與地面(或另一電荷庫)之間提供一條傳導(dǎo)路徑。一個帶電的導(dǎo)體接地後會放電。13感應(yīng)帶電 導(dǎo)體也可以不

6、須經(jīng)帶電體直接接觸而帶電,但其必須接地。當(dāng)一帶電體接近導(dǎo)體時,導(dǎo)體上部份的電荷會因為接地而流失。若在帶電體移開時將接地線拆除,導(dǎo)體上將會帶淨(jìng)電荷。 (當(dāng)然,若在帶電體移開時導(dǎo)體仍接地,此時電荷將經(jīng)接地線回流回導(dǎo)體) 。 14感應(yīng)帶電：(a) 用絲綢摩擦玻璃棒使其帶電；(b) 帶正電的玻璃棒移近一個金屬球，但是不碰觸它。當(dāng)球內(nèi)的自由電子被吸引朝向玻璃棒時，此球是被極化的；(c) 當(dāng)此球接地時，電子被球上的正電荷吸引而從地上移動到球上；(d) 拆掉接地線且不移走玻璃棒；(e) 此時移走玻璃棒。電荷因為同性電相斥而分布在整個金屬表面上。此球因為過剩的電子而帶負的淨(jìng)電荷。15影印機 影印機的操作是建立

7、在電荷的分離及不同電荷之間的吸引的基礎(chǔ)上。其工作的原理乃是利用一種稱為光導(dǎo)體的材料 一個光敏半導(dǎo)體。當(dāng)沒有光照在硒上時，它是一個十足的絕緣體；但是當(dāng)光照到它時，它變成一個良導(dǎo)體。滾筒上有一種稱為調(diào)色劑的黑色粉末接觸。調(diào)色劑粒子已帶有負電，因此它們會被吸引到滾筒上帶正電的區(qū)域。調(diào)色劑黏在滾筒上有正電的地方，沒有帶電的地方調(diào)色劑是不會黏附。紙張會從滾筒上吸走那些帶負電的調(diào)色劑粒子，在紙上形成原稿的影像。 16影印機的操作是利用帶負電的調(diào)色劑粒子被吸引到帶正電滾輪上的區(qū)域。1718電場 在任何點的電場 定義為在那個點上每單位電荷的電力。 因為力為向量, 因此電場亦為一向量。如果q是正的，電力的方向與

8、電場的方向相同；如果q是負的，這兩個向量有相反的方向。 19電場線 電場線來描述電場的分佈:任何點電場線之切線方向表電場的方向,而電場線較密之處表示該處電場較強.電場線不會相交: 否則電場線交點處電力之方向就不唯一 . 電場線於正電荷出發(fā)終於負電荷,非一封閉曲線.20圖16.17場線規(guī)則圖解。(a) 在點及點的電場方向；(b) 在點的電場大小大於在點的電場大?。?c) 如果從一點電荷劃出12條線，則必須有8條線結(jié)束在的點電荷上；(d) 如果場線相交，則無法決定在相交處電場的方向。21點電荷的電場線 點電荷的電場線是放射狀的 (遠離一正電荷或朝向一負電荷 )。靠近點電荷處場線是較為密集，此時電場是強的；遠離電荷處場線會散開，顯示電場強度隨著距離變大而減少。 22電偶極所產(chǎn)生的電場 一電偶極乃兩帶相同電量q 但電性相反之電荷相距d所形成; 其電場線如圖16-19所示 .23電位置 某些動物和魚類進化出產(chǎn)生以及偵測電場的器官。這些動物可以利用這些感覺器官偵測到電場的變化,以偵測到獵物或敵人。尼羅河魔鬼所產(chǎn)生的電場。此電場幾乎是一個電偶極的電場。此魚的頭部是帶正電且尾部是帶負電。24在電視機、電腦螢?zāi)?、示波器和x光管中，陰極射線管 (CRT) 是用來加束電子。從熱燈絲跑出的電子通過陰極中的小洞；然後在陰極與陽極之