大学物理静电场1.ppt
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1、电 磁 学(Electromagnetism),电磁学研究的是电磁现象,电场和磁场的相互联系;电磁场对电荷、电流的作用;电磁场对物质的各种效应。,的基本概念和基本规律:,电荷、电流产生电场和,磁场的规律;,处理电磁学问题的基本观点和方法,着眼于场的分布,(一般),电磁学的教学内容:静电学(真空、介质、导体)稳恒电流 稳恒电流的磁场(真空、介质)电磁感应 电磁场与电磁波,对象:,弥散于空间的电磁场,,方法:,观点:,电磁作用是“场”的作用,基本实验规律,综合的普遍规律,(特殊),(近距作用),公元前600年前,希腊哲学家赛列斯发现琥珀摩擦可以吸引轻小物体。,东汉时期的王充论衡中有,“顿牟掇芥,磁
2、石引针”的记载,1820年,丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应,使电磁学的研究从电磁分离跃至电磁相互联系的研究状态。,*两个里程碑,1)1831年法拉第发现电磁感现象,证实了电与磁的统一性。,这里的顿牟即指玳瑁,意思是经过摩擦的玳瑁可以吸引芥籽或细小的物体。,法拉第引入场的概念和力线的图像,把人们的认识从超距作用中解脱出来,建立了近距作用概念。,麦克斯韦从理论上总结了法拉第的物理思想,用一套方程组概括实验上发现的电磁规律,建立了电磁场理论,预言了光的电磁本性。相对论的问世,又将电磁学推向了一个新高潮。,2)Maxwell方程组的建立,静电场 相对观测者静止的电荷产生的电场,第六章,真空中静电
3、场的场强,Intensity of Electrostatic Field in Vacuum,物体带电及基本现象,*物体带电-物体具有吸引轻小物体的性质称为物体带电。,*两种电荷:,*摩擦起电:,物体之所以能带电是因为物质具有电结构,物体失去或得到电子时,物体便带电。,正电荷 负电荷,电荷之间的相互作用,同性相斥 异性相吸,物体带的电荷量简称电量,一般用 q 或 Q 表示,单位为 库仑,符号为C。,6.1 电场 电场强度,*电荷具有运动不变性(电荷电量的相对论不变性),电荷不能创生,也不能消灭,只能从一个物体转移到另一个物体;或从物体的一部分移到另一部分,总电荷不变。,物体带的电量 q 不能
4、连续取值,只能是某基本电量(电子电量 e)的整数倍。,*电荷量子化,C,*电荷守恒定律,2、库仑定律,1、点电荷,实际带电体的理想化模型,具有带电体的全部电量,但无形状和大小。,真空中两点电荷之间的相互作用力大小,作用力的方向:,同号,与 同方向(斥力),异号,与 反方向(引力)。,电磁学中常用另一常数 取代 k,称为真空中的介电常数,或真空电容率。,注意:,库仑定律只适用于点电荷;,库仑力满足矢量叠加原理。,电荷1,电场对外的表现,电荷2,力的表现:,三、电场 电场强度,近代物理证明:电场是一种物质。它具有能量、动量和质量。,电荷之间的相互作用通过电场进行,电场对置于其中的电荷有力的作用;,
5、功的表现:,在电场中移动电荷,电场力作功。,静电场:相对观察者静止的电荷周围所产生的电场.,近代物理证明:电场是一种物质。它具有能量、动量、质量。场与实物粒子的不 同在于:,场具有可入性;场具有叠加性。,2、电场强度,电场,q0,定义 P 点的电场,引入试验电荷 于P 点,电场中某点的电场强度等于单位正电荷在该点受的电场力。,是一个矢量,方向为正电荷在该点的受力方向。,试验电荷的条件:,线度很小;,带电量很小,的单位:,点电荷在电场中受到的电场力,13-1 在一个带正电的大导体球附近P处放置一点电荷q(q 0),测得它受力为F。若考虑到电荷q的电量不是足够小,由 得出的电场强度值比原来P点的场
6、强大还是小?若大导体球带负电,情况又如何?,思考:,3、电场强度的计算,(1)点电荷的场强,,与 同方向,,与 反方向,计算点电荷q在 处的P点产生的场强,引入试验电荷 于P点,受 的作用力,由电场强度的定义,得点电荷的场强公式,(2)点电荷系的场强(场强叠加原理),即:点电荷系在空间某点产生的场强等于各点电荷单独存在时在该点产生的场强的矢量和。,推广到n个点电荷,有,电偶极矩(electric dipole moment),例1、计算电偶极子在其延长线上任一点 P 产生的场强。,解:,电偶极子,电偶极子(electric dipole)的场强,例2、计算电偶极子中垂线上任一点 P 的场强。,
7、解,思考:怎样求其它任意位置的场强?,电偶极子在均匀电场中所受的力矩,(3)电荷连续分布的带电体的场强,整个带电体在 P 点的场强,任一电荷元 在P 点的场强,带电体看成许多电荷元 组成,电荷分布在线上,为电荷线密度;,电荷分布在面上,为电荷面密度;,电荷分布在体上,为电荷体密度。,结果表示成,计算下面两个标量积分,上述积分是矢量积分,一般不易计算。实际中是建立坐标,把 分解为 和,例3 计算一长度为 L,带电量为 q 的均匀带电直线在其延长线上一点 P 产生的场强。,解:,在 x 处取电荷元,取导线左端为原点,建坐标如图,dq 在P 点产生的 大小,方向沿x正向,的方向沿x正向,因为各电荷元
8、在P点产生的 方向均相同,所以整条导线在 P 点的场强,或,13-3 电量q均匀分布在半径为R的半圆环上,如图所示。求半圆环中心O点的电场强度。,例4 电荷 q 均匀分布在一半径为 R 的圆环上。计算在圆环轴线上 x 处 P点的场强。,解:,在圆环上任取电荷元,dq在P点产生的 大小,因各电荷元在P点产生的 方向不同,把 分解为 和,由对称性,所以:,的方向沿x正向,讨论:,,则,令,可求得场强极大值的位置,例5:均匀带电薄圆盘轴线上的电场强度.,有一半径为,电荷均匀分布的薄圆盘,其电荷面密度为.求通过盘心且垂直盘面的轴线上任意一点处的电场强度.,解:由 例4,(点电荷电场强度),1.无限大带
9、电平面产生与平面垂直的均匀电场,2.两平行无限大带电平面()的电场,两平面间两平面外侧,静电场第一次作业,习题精选 P101107页 选1,2,计22,已知两杆电荷线密度为,长度为L,相距L,解,例6:,两带电直杆间的电场力。,求:,小结:计算场强 分布的基本方法、步骤,基本方法:已知场源电荷分布,步骤:,1、根据电荷分布,选取合适的电荷微元,2、利用已有的点电荷、均匀无限长带电直线以及均匀无限大带电平面等的场强分布结论,写出所取的电荷微元的场强(包括大小和方向),3、根据叠加原理求总场强:如果所取微元的场强方向不变,就直接进行积分 如果所取微元的场强方向变化,根据对称性分析,求出不为零的那一
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