第7章真空中的静电场.ppt

简介电磁学发展史简介电磁学发展史 电与磁关系探密电与磁关系探密 25002500多年前（周朝）人类历多年前（周朝）人类历史上第一次记载了电与磁的现象：古希腊著名哲学史上第一次记载了电与磁的现象：古希腊著名哲学家泰勒斯在爱琴海的海滩上散步时，被一种黄褐色家泰勒斯在爱琴海的海滩上散步时，被一种黄褐色石块（琥珀）吸引了，他发现使劲摩擦它以后能吸石块（琥珀）吸引了，他发现使劲摩擦它以后能吸引麦杆碎渣和羽毛碎片，之后他又仔细观察魔石引麦杆碎渣和羽毛碎片，之后他又仔细观察魔石（天然磁石）吸引小铁片的现象，泰勒斯将这两种（天然磁石）吸引小铁片的现象，泰勒斯将这两种现象当作一回事，他把观察到的现象说得头头是道，现象当作一回事，他把观察到的现象说得头头是道，以至这一错误见解被科学界奉为金科玉律长达以至这一错误见解被科学界奉为金科玉律长达22002200年左右。年左右。直到直到16001600年，英国一位叫吉伯的著名医生兼物年，英国一位叫吉伯的著名医生兼物理学家，写了一本理学家，写了一本论磁石论磁石的书，书中把物体经的书，书中把物体经摩擦后产生对其他物体的吸引力或斥力称为电力，摩擦后产生对其他物体的吸引力或斥力称为电力，而把磁石对铁的引力称为磁力，明确指出电力与磁而把磁石对铁的引力称为磁力，明确指出电力与磁力是两码事。力是两码事。1820.4 1820.4，丹麦哥本哈根大学物理学教授奥斯特在，丹麦哥本哈根大学物理学教授奥斯特在实验中发现：放在通电导线附近的磁针会出现偏转。实验中发现：放在通电导线附近的磁针会出现偏转。1820.7.211820.7.21，奥斯特公布了他上述的发现结果，说明，奥斯特公布了他上述的发现结果，说明电能产生磁。轰动整个欧洲界。打破尘封千年的电电能产生磁。轰动整个欧洲界。打破尘封千年的电与磁绝对互不相关的旧概念。人们才认识到电与磁与磁绝对互不相关的旧概念。人们才认识到电与磁两者既有区别又有内在本质的联系。两者既有区别又有内在本质的联系。1820.91820.9，法国数学家安培成功地完成磁场对通电，法国数学家安培成功地完成磁场对通电导线产生力的实验，有了著名的安培定律。导线产生力的实验，有了著名的安培定律。18211821年，英国著名的化学家戴维将金属导线绕在年，英国著名的化学家戴维将金属导线绕在铁棒上，当导线通电时，制成第一根人造磁石铁棒上，当导线通电时，制成第一根人造磁石电磁铁。电磁铁。1831.101831.10，英国实验物理学家、电学巨匠法拉第，英国实验物理学家、电学巨匠法拉第经过经过1010年实验终于发现：当导线在磁场中运动，或年实验终于发现：当导线在磁场中运动，或磁铁插到线圈中时，导线或线圈中有电流产生。磁铁插到线圈中时，导线或线圈中有电流产生。就是说磁能生电就是说磁能生电原来电与磁之间关系密切，两原来电与磁之间关系密切，两者能互相转化。（亨利）由此出现一门新兴学科者能互相转化。（亨利）由此出现一门新兴学科电磁学，为无线电电子学奠定了最重要的基础。电磁学，为无线电电子学奠定了最重要的基础。1855年，英国物理学家麦克斯韦发表了年，英国物理学家麦克斯韦发表了论法论法拉第力线拉第力线的论文，法拉第的形象而粗糙的力线观的论文，法拉第的形象而粗糙的力线观念被麦克斯韦用念被麦克斯韦用6个严谨的数学公式表述出来。他个严谨的数学公式表述出来。他还预言电磁波的存在，还预言电磁波的存在，1864年，在年，在电磁场的力学电磁场的力学理论理论一文中，他还严格地推导出完善的电磁场波一文中，他还严格地推导出完善的电磁场波动方程式，并且得出电磁波的传播速度等于光速动方程式，并且得出电磁波的传播速度等于光速（30万公里万公里/秒）的重要结论。秒）的重要结论。1887年德国青年赫兹设计振荡偶极子成功地探年德国青年赫兹设计振荡偶极子成功地探测到电磁波的存在，宣告了一个新的技术时代测到电磁波的存在，宣告了一个新的技术时代无线电电子学时代的开始。无线电电子学时代的开始。赫兹的名字终于被闪光地镌刻在科学史的名人堂里，赫兹的名字终于被闪光地镌刻在科学史的名人堂里，可是，作为一个纯粹的严肃的科学家，赫兹当时却没可是，作为一个纯粹的严肃的科学家，赫兹当时却没有想到他的发现里面所蕴藏的巨大的商业意义。在卡有想到他的发现里面所蕴藏的巨大的商业意义。在卡尔斯鲁厄大学的那间实验室里，他想的只是如何可以尔斯鲁厄大学的那间实验室里，他想的只是如何可以更加靠近大自然的终极奥秘，根本没有料到他的实验更加靠近大自然的终极奥秘，根本没有料到他的实验会带来一场怎么样的时代革命。赫兹英年早逝，还不会带来一场怎么样的时代革命。赫兹英年早逝，还不到到3737岁就离开了这个他为之醉心的世界。然而，就在岁就离开了这个他为之醉心的世界。然而，就在那一年，一位在伦巴底度假的那一年，一位在伦巴底度假的2020岁意大利青年读到了岁意大利青年读到了他的关于电磁波的论文他的关于电磁波的论文,两年后，这个青年已经在公开两年后，这个青年已经在公开场合进行了无线电的通讯表演，不久他的公司成立，场合进行了无线电的通讯表演，不久他的公司成立，并成功地拿到了专利证。到了并成功地拿到了专利证。到了19011901年，赫兹死后的第年，赫兹死后的第7 7年，无线电报已经可以穿越大西洋，实现两地的实年，无线电报已经可以穿越大西洋，实现两地的实时通讯了。这个来自意大利的年轻人就是古格列尔莫时通讯了。这个来自意大利的年轻人就是古格列尔莫马可尼（马可尼（GuglielmoGuglielmo Marconi Marconi），与此同时俄国），与此同时俄国 或许赫兹只会对此置之一笑。他是那种纯粹的科学或许赫兹只会对此置之一笑。他是那种纯粹的科学家，把对真理的追求当作人生最大的价值。恐怕就算家，把对真理的追求当作人生最大的价值。恐怕就算他想到了电磁波的商业前景，也会不屑去把它付诸实他想到了电磁波的商业前景，也会不屑去把它付诸实践的吧？也许，在美丽的森林和湖泊间散步，思考自践的吧？也许，在美丽的森林和湖泊间散步，思考自然的终极奥秘，在秋天落叶的校园里，和学生探讨学然的终极奥秘，在秋天落叶的校园里，和学生探讨学术问题，这才是他真正的人生吧。今天，他的名字已术问题，这才是他真正的人生吧。今天，他的名字已经成为频率这个物理量的单位，被每个人不断地提起，经成为频率这个物理量的单位，被每个人不断地提起，或许他还会嫌我们打扰他的安宁呢？或许他还会嫌我们打扰他的安宁呢？的波波夫（的波波夫（Aleksandr PopovAleksandr Popov）也在无线通讯领域做）也在无线通讯领域做了同样的贡献。他们掀起了一场革命的风暴，把整了同样的贡献。他们掀起了一场革命的风暴，把整个人类带进了一个崭新的个人类带进了一个崭新的“信息时代信息时代”。不知赫兹。不知赫兹如果身后有知，又会做何感想？如果身后有知，又会做何感想？内容：内容：1.1.电荷电荷2.2.库仑定律库仑定律3.3.电场强度电场强度4.4.电场强度通量电场强度通量 高斯定理高斯定理5.5.静电场的环路定理静电场的环路定理6.6.电势能电势电势能电势*7.7.电场强度与电势梯度电场强度与电势梯度8.8.静电场中的电偶极子静电场中的电偶极子重点：重点：电场强度、电势及其计算、高斯定律及其应用电场强度、电势及其计算、高斯定律及其应用难点：难点：求连续带电体的电场，高斯定律的理解，电求连续带电体的电场，高斯定律的理解，电 势梯度势梯度1.1.电荷的种类：电荷的种类：正正电荷、电荷、负负电荷电荷电荷的产生方式：电荷的产生方式：摩擦起电、静电感应摩擦起电、静电感应7.1.1 电荷概念电荷概念7.1.2 电荷的基本性质电荷的基本性质2.2.电荷的量子性电荷的量子性 19061917年，密立根用液滴法测定了电子年，密立根用液滴法测定了电子电荷，证明微小粒子带电量的变化是不连续的，电荷，证明微小粒子带电量的变化是不连续的，它只能是基本电荷它只能是基本电荷 e 的整数倍，粒子的电荷是量的整数倍，粒子的电荷是量子化的。子化的。neQ C10602.119e 电荷量子化是个实验规律电荷量子化是个实验规律1986年的推荐值为：年的推荐值为：e=1.6021773310-19库仑库仑(C)(C)库仑是电量的国际单位库仑是电量的国际单位 电荷量子化已在相当高的精度下得到了检验。电荷量子化已在相当高的精度下得到了检验。迄今所知，电子是自然界中存在的最小负电荷，迄今所知，电子是自然界中存在的最小负电荷，质子是最小的正电荷。质子与电子的电量在实验误差质子是最小的正电荷。质子与电子的电量在实验误差为为 ，中子不带电，实验误差也为，中子不带电，实验误差也为e1021e1021 3.电荷守恒电荷守恒 电荷守恒定律适用于一切宏观和微观过程，是电荷守恒定律适用于一切宏观和微观过程，是物理学中普遍的基本定律之一物理学中普遍的基本定律之一。在孤立系统中，不管系统中电荷如何迁移，在孤立系统中，不管系统中电荷如何迁移，系统的电荷的代数和总保持不变系统的电荷的代数和总保持不变.2112rrr122122112r Frqqk4.电荷的相对论不变性电荷的相对论不变性在不同的参照系内观察，同一个带电粒子的电量不变。在不同的参照系内观察，同一个带电粒子的电量不变。2112rr1231221rrqqk7.2.1 库仑定律库仑定律r221erqqkF 为由场源电荷指向受力电为由场源电荷指向受力电荷的单位矢量荷的单位矢量re 库仑定律只能用于库仑定律只能用于真空真空中的中的点电荷（空气中也近点电荷（空气中也近似应用）似应用）库仑定律是直接从实验总结出来的规律库仑定律是直接从实验总结出来的规律 电子和质子之间的静电力与万有引力的比值为电子和质子之间的静电力与万有引力的比值为 2.262.26 10103939 1221FF 库仑力满足牛顿第三定律库仑力满足牛顿第三定律041k)m/(NC10854187817.822120真空介电常数：真空介电常数：229C/)mN(109875.8k7.2.2 电力的叠加原理电力的叠加原理niniiiiirqq110300000r41FF3q1q4q2q0q01r03r04r02r对分立带电体对分立带电体对连续带电体对连续带电体rrdqdqFd42021FdF 两个以上的点电荷之间两个以上的点电荷之间的作用力并不因为第三个电的作用力并不因为第三个电荷的存在而有所改变，等于荷的存在而有所改变，等于每个电荷单独存在时对该电每个电荷单独存在时对该电荷作用力的矢量和。荷作用力的矢量和。例例72:有一带电量为有一带电量为q的点电荷与长为的点电荷与长为l、线电荷、线电荷密度为密度为的均匀带电绝缘细棒沿同一直线放置，棒近的均匀带电绝缘细棒沿同一直线放置，棒近端与点电荷相距为端与点电荷相距为l，求棒与点电荷间的静电相互作，求棒与点电荷间的静电相互作用力的大小。用力的大小。解：解：在细棒上任取电荷元在细棒上任取电荷元dq，建立如图坐标，建立如图坐标，dqdx，dq电荷元与点电荷电荷元与点电荷q间的相互作用力为间的相互作用力为O Oxqd dxxdFdF2020)2(4)2(4xldxqxlqdqdFlqxldxqFl00208)2(47.3.1 电场电场电场是种特殊形式的物质电场是种特殊形式的物质)历史上两种观点：历史上两种观点：（1 1）沿袭牛顿力学）沿袭牛顿力学“超距作用超距作用”（2 2）法拉第场论观点）法拉第场论观点电场电场:带电体周围存在的一种特殊物质带电体周围存在的一种特殊物质静电场静电场:相对观测者静止的电荷周围存在的电场相对观测者静止的电荷周围存在的电场 变化的电场以光速在空间传播，表明电场具有动量变化的电场以光速在空间传播，表明电场具有动量电荷电荷电荷电荷电场电场电场的最重要的表现电场的最重要的表现a）对电荷有力的作用）对电荷有力的作用b）静电力对电荷做功）静电力对电荷做功F7.3.2电场强度电场强度（场强）（场强）（1）试验电荷（）试验电荷（q0）：带电量很小（不影响原电：带电量很小（不影响原电场的分布）；线度