第五章 静电场 5-1电荷的量子化
电荷守恒定律
闪电
避雷针
引言
电磁现象是自然界中极为普遍的自然现象。
公元前600年 古希腊哲学家泰利斯就知道一块琥珀用木头摩擦之后
会吸引草屑等轻小物体 春秋战国时期 《韩非子》和《吕氏春秋》都有天然磁石（Fe3O4） 的记载 1785年 库仑定律提出，电磁学进入科学行列
电子是自然界中具有最小电荷的粒子
基本电荷
e 1.6021019 C
2. 量子性
电荷量只能取分立的、不连续量值的性质，称 为电荷的量子化。
Q =Ne N= ± 1、2、3…
1C 6.24 1018 e 1e 1.602 1019 C
夸克带分数电荷 1 e 或 2 e
3
3
3. 守恒性
在孤立系统中,电荷的代数和保持不变.称为 电荷守恒定律
电容器最基本的工作原理是充放 电，电容器充电后两极板间的电荷作 用力大小和方向？它们之间的作用力 怎么实现？
第五章 静电场 5-2 库仑定律
法国库仑（C.A.Coulomb） 1785~1789年用扭称测量静电力和 磁力，导出著名的库仑定律。库仑定 律使电磁学的研究从定性进入定量阶 段，是电磁学上一个重要的里程碑。
矢量式： F12
1 4πε0
q1q2 r122
e12
F12
1 4πε0
q1q2 r122
e12
真空中
点电荷 代数量 实验定律
q1
F21
F21
q1
r12
q2
F12 d
r12 q2
F12
自然界的重要相互作用力
库仑力的叠加
点电荷 qi 对 q0 的作用力
Fi
1
4π 0
qi q0 ri3
点电荷 ➢ 带电体的大小、形状可以忽略
➢ 把带电体视为一个带电的几何点
(一种理想模型)
库伦定律(1785)
在真空中两个静止点电荷之间的静电作用力与这两个 点电荷所带电量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成 反比，作用力的方向沿着两个点电荷的连线。
电荷q1 对q2 的作用力F21
F21
k
q1q2 r2
二 电磁场的研究方法
1.“实物物质” 的研究方法 实物：由原子、分子等微观粒子构成的物质形态 场物质：通常将弥漫于空间、不是由原子、分子等微观粒子构
成的物质形态，称为“场” • 从物理角度，场是一种弥漫于空间的物质形态，它是相对于
“实物”的物质形态而言的
• 从数学角度上，场是某一物理量的某种时空分布 “实物”的研究方法 • 研究实物物质间相互作用的力的性质 • 研究实物物质间相互作用的能的性质 2.“场物质” 的研究方法 (1). 力的本质
作用力的本质：力的相互作用是由力的传播子来实现的
(2).研究场的基本方法 标量场：场量只与空间和时间参量有关，与方向无关 矢量场：场量不仅与空间和时间参量有关，而且与方向有关
爱因斯坦说过：“我们有两种存在，实物和场，场 是物理学中出现的新概念，是自牛顿时代以来最重 要的发现。用来描述物理现象最重要的不是带电体， 也不是粒子，而是在带电体之间空间的场，这需要 用很大的科学想象力才能理解”。
1820年 奥斯特发现电流的磁效应（电产生磁）
1831年 1865年
法拉第发现电磁感应现象 （磁产生电） 麦克斯韦建立了以麦克斯韦方程组为基础的完整
的电磁场理论 1887年 赫兹利用振荡器在室验上证实了电磁波的存在 1905年 爱因斯坦创立了相对论，解决了经典力学时空观与电磁
现象新的实验事实的矛盾
电磁场是一个统一的整体 ,电磁学的研究在现代物理学中也具 有相当重要的地位 。
r201
电荷q2对q1的作用力F12
F12
k
q1q2 r2
r120
q1 r r 0 21
q1
F12
r
k 8.9880109 N m2 C 2
q2
F21
q2
r
0 12
库仑定律的有理化形式：
令 k 1
4π 0
大小：
F
1 4πε0
q1q2 r2
ε0 8.85 10 12 C2 N1 m2为真空电容率
富兰克林
安培
库仑
欧姆
爱迪生
奥斯特
法拉第
赫兹
麦克斯韦
洛仑兹
内容结构
电磁学
静电学
静磁学
电磁学
静电荷产 稳恒电势差 磁现象的 生的静电场 与稳恒电场 电本质
真空、金属 介质中的
中静电荷与 静电荷与
Hale Waihona Puke 静电场静电场磁场的性质 散度与旋度
磁场对电荷与 电流的作用
磁产生电 电产生磁
电磁场的 散度与旋度
1.静电场力的性质：库仑定 律、电场强度、电场散度
2.静电场能的性质：静电场 作功、电势能、电场能量
麦克斯韦方程组
电磁学和力学的主要区别
研究对象 状态参量 问题特点
数学工具
力学 实物
r，mv
已知某些量 求其他量 微积分应用少 矢量分析少
电磁学 场
E，H
已知某些量的分布 求其他量的分布
微积分应用多 矢量分析多
一 电磁学的研究对象
电磁学研究物质间电磁相互作用及其运动规律的科学
Fe
1
4π 0
e2 r2
8.1106 N
Fg
G
memp r2
3.7 10-47 N
Fe 2.27 10 39 Fg
（微观领域中,万有引力比库仑力小得多,可忽略不计.）
标量场，如温度场、密度场。 矢量场，如速度场，更重要的如引力场、电磁场、 核力场等等。
基本属性：不是由分子、原子等实物粒子组成； 具有迭代性、波动性、弥漫性和物质性；
一、 电荷及其性质 1. 正负性: 两种电荷：正电荷和负电荷
同性相斥，异性相吸.
等量的正、负电荷相遇后，对 外不再呈现电性，这种现象称 为电中和
1）自然界的基本守恒定律之一
Qi c
-e
2）电荷可以成对产生
+e
或湮灭，但代数和不变
e e
-e
U 238
92
23940Th
4 2
He
+e
4. 相对论不变性 一个电荷的电量与它的运动状态无关，运动粒
子的电量不随速度的变化而变化。在不同的参考系 观察，同一带电粒子的电量保持不变．
电磁能的特点和优势： 电磁能转换相对容易 电磁能便于远距离传输 电磁能传输速度快 电磁测量灵敏度高，可靠性好
ri
q1
q2 q3
r1 r2
r3
F3
F2
q0
F1
由力的叠加原理得 q0 所受合力 F Fi
i
在氢原子内,电子和质子的间距为 5.3 1011.m
求它们之间库仑力和万有引力,并比较它们的大小.
me 9.110 31kg e 1.6 1019 C
mp 1.671027 kg G 6.67 1011N m2 kg2