第一章真空中的静电场 本章研究真空中相对观察者静止的电荷和它周围的电场,讨论静电场的描述 方法和基本规律,建立真空中静电场的基本方程式 §1电荷电荷守恒定律 、电荷 1、摩擦起电 丝绸摩擦过的玻璃棒,或毛皮摩擦过的硬橡胶棒能吸引羽毛、头发、干草等 轻小物体。物体由于摩擦有了吸引轻小物体的性质,它就带了电,有了电荷,这 种带电叫摩擦起电。 2、两种电荷 实验表明,无论用何种方法起电,自然界中只存在两类电荷:正电和负电, 且同性电荷相斥、异性电荷相吸引。历史上,富兰克林最早对电荷正负作了规定, 沿用至今:丝绸摩擦过的玻璃棒,棒上带电为正;毛皮摩擦过的硬橡胶棒,棒上 带电为负。物体摩擦带电种类大体次序为: 毛皮,石英,玻璃,丝绸,木条,金属,胶木,硬橡胶,琥珀,…。排列较 前者与后者摩擦,前者带正电、后者带负电 3、电荷测量 (1)电量的测量 验电器 静电 (金属球) (金属箔) (a)验电器:张开情况可定性 (b)静电计:弧度刻尺上读数 说明电量多少 可用于测量电位 图1-1电量的测量
1－1－1 第一章 真空中的静电场 本章研究真空中相对观察者静止的电荷和它周围的电场，讨论静电场的描述 方法和基本规律，建立真空中静电场的基本方程式。 §1 电荷 电荷守恒定律 一、电荷 1、摩擦起电 丝绸摩擦过的玻璃棒，或毛皮摩擦过的硬橡胶棒能吸引羽毛、头发、干草等 轻小物体。物体由于摩擦有了吸引轻小物体的性质，它就带了电，有了电荷，这 种带电叫摩擦起电。 2、两种电荷 实验表明，无论用何种方法起电，自然界中只存在两类电荷：正电和负电， 且同性电荷相斥、异性电荷相吸引。历史上，富兰克林最早对电荷正负作了规定， 沿用至今：丝绸摩擦过的玻璃棒，棒上带电为正；毛皮摩擦过的硬橡胶棒，棒上 带电为负。物体摩擦带电种类大体次序为： 毛皮，石英，玻璃，丝绸，木条，金属，胶木，硬橡胶，琥珀，…。排列较 前者与后者摩擦，前者带正电、后者带负电。 3、电荷测量 （1）电量的测量 (a) 验电器：张开情况可定性 (b) 静电计：弧度刻尺上读数， 说明电量多少。 可用于测量电位。 图 1-1 电量的测量 （金属球） （金属箔） 动 静 验电器 静电 计
(2)电荷正负判定 同性 张角变大 已带某种已知电荷 异性 张角变小 图1-2电荷正负的判定 (3)电荷中和 自由的等量异号电荷相遇,它们恰好抵消的现象叫电荷中和。若不能完全抵 消则叫部分中和。 二、静电感应电荷守恒定律 静电感应 起电的又一方法:静电感应。如图1-3,其中(a)、(b)中A、B为导体绝缘 情况,(c)、(d)为导体接地情况。静电感应实质上为电荷转移的过程。 a B B 图1-3静电感应
1－1－2 （2）电荷正负判定 图 1-2 电荷正负的判定 （3）电荷中和 自由的等量异号电荷相遇，它们恰好抵消的现象叫电荷中和。若不能完全抵 消则叫部分中和。 二、静电感应 电荷守恒定律 1、静电感应 起电的又一方法：静电感应。如图 1-3，其中(a)、(b)中 A、B 为导体绝缘 情况，(c)、(d) 为导体接地情况。静电感应实质上为电荷转移的过程。 图 1-3 静电感应 已带某种已知电荷 张角变大 张角变小 同性 异性 (a) (b) (c) (d) A B A B
2、电荷守恒定律 在一个与外界无电荷交换的封闭系统中,无论进行什么过程,该系统的正负 电荷之代数和始终保持不变。 说明 (1)电荷守恒是一切宏观、微观过程均遵守的规律。例如:化学反应、放射 性衰变、核反应、基本粒子转变等均如此 (2)电荷守恒定律可能与电荷的量子属性有关。电子电量大小e=1.6×10-9 库仑是电荷的最小单元,密立根油滴实验等发现,物体带电是基本电子电量的整 数倍(不连续),电荷具有最小单元的性质称为电荷的量子化 三、物质的电结构导体与绝缘体 1、物质组成与原子结构 核外电子 在宏观电磁现象层面:分子一原子 原子/质子,原子核上的质子数 中子 核外电子数的量变会引起物质性质的千差万别。 据原子结构的电子壳层理论:排布律2n2,最高层<8,次高层为18。最外 层电子数过半容易夺得电子而显负电、少于半数而容易失去电子带正电,此即物 质带电的内部依据。 自由电子:金属中原子的价电子脱离核束缚自由运动于晶格点阵中,剩余原 子实,此自由电子是金属导电的因素。 2、起电的物理解释 摩擦起电——用原子的玻尔模型说明:摩擦引起核外电子运动速度Ⅴ变大, 克服原子核的束缚而发生转移。 感应起电一一导体中自由电子在外电场力作用下从物体的一部分转移至另 一部分 3、物质按导电性能分类 (1)导体金属原子核对远核电子(价电子)束缚小而易成为自由电子,在 金属内部自由运动一形成电子气。 1-1-3
1－1－3 2、电荷守恒定律 在一个与外界无电荷交换的封闭系统中，无论进行什么过程，该系统的正负 电荷之代数和始终保持不变。 [说明] (1) 电荷守恒是一切宏观、微观过程均遵守的规律。例如：化学反应、放射 性衰变、核反应、基本粒子转变等均如此。 (2) 电荷守恒定律可能与电荷的量子属性有关。电子电量大小 19 1.6 10− e = 库仑是电荷的最小单元，密立根油滴实验等发现，物体带电是基本电子电量的整 数倍（不连续），电荷具有最小单元的性质称为电荷的量子化。 三、物质的电结构 导体与绝缘体 1、物质组成与原子结构 在宏观电磁现象层面： 中子 质子 原子核 核外电子 分子 −原子 − ，原子核上的质子数、 核外电子数的量变会引起物质性质的千差万别。 据原子结构的电子壳层理论：排布律 2 2n ，最高层 8 ，次高层为 18 。最外 层电子数过半容易夺得电子而显负电、少于半数而容易失去电子带正电，此即物 质带电的内部依据。 自由电子：金属中原子的价电子脱离核束缚自由运动于晶格点阵中，剩余原 子实，此自由电子是金属导电的因素。 2、起电的物理解释 摩擦起电——用原子的玻尔模型说明：摩擦引起核外电子运动速度 V 变大， 克服原子核的束缚而发生转移。 感应起电——导体中自由电子在外电场力作用下从物体的一部分转移至另 一部分。 3、物质按导电性能分类 (1) 导体 金属原子核对远核电子（价电子）束缚小而易成为自由电子，在 金属内部自由运动—形成电子气
(第一类)金属:导电前后无化学变化发生,仅电子移动。 第二类)酸碱盐水溶液:导电的载流子为正离子。随着电量迁移 将伴有质量迁移,有化学反应发生。 (2)绝缘体许多非金属,原子核对核外电子作用力较大,电子不能自由 运 动,几乎无导电本领,如电介质等。 (3)半导体导电性介于上述之间,如S,Ge等。 1-1-4
1－1－4 将伴有质量迁移，有化学反应发生。 第二类 酸碱盐水溶液：导电的载流子为正离子。随着电量迁移， 第一类 金属：导电前后无化学变化发生，仅电子移动。 ( ) ( ) (2) 绝缘体 许多非金属，原子核对核外电子作用力较大，电子不能自由 运 动，几乎无导电本领，如电介质等。 (3) 半导体 导电性介于上述之间，如 Si, Ge 等