前置知識:基礎物理-物質的組成
一、電荷、電場
自然界中有電的現象根本在於有電荷。電荷是物質的一種物理性質,不能單獨存在,但是很多時候說到電荷都指的是帶著電荷的物質。電荷有正電荷和負電荷兩種,同種電荷相互排斥,異種電荷相互吸引。根據電荷守恆定律,電荷不會創生,不會消滅,只能在物體間轉移,轉移過程中總量不變。比如摩擦起電就是不同物質原子核對電子的束縛能力不同,在摩擦中電子從乙個物體轉移到了另乙個物體,使兩個物體分別帶上了正負電。
電荷的多少叫電荷量,單位為庫倫(c)。質子攜帶著正電荷,電子攜帶著負電荷,它們的電荷量稱為元電荷,任何物體的帶電荷量都是元電荷的整數倍。
關於場的相關介紹見基礎物理-物質的組成。
電場是指電荷及變化磁場周圍空間裡存在的場。用電場強度(簡稱場強)來表示電場的強弱和方向,場強只與場源電荷有關。可以用電場線來描述場強,該點的疏密程度為場強大小,該點的切線方向為場強方向。特別的,某個區域內各處場強大小相等,方向相同,該區域電場稱為勻強電場;由乙個或多個靜止的電荷產生的電場稱為靜電場。
電場的基本性質是對放入其中的電荷有力的作用並能使之具有能量,本質是因為同種電荷相互排斥異種電荷相互吸引,電場力f=eq。靜電場中,兩個靜止點電荷(點電荷:本身的線度比相互之間的距離小得多的帶電體)間的電場力稱為庫侖力,遵從庫侖定律。
二、電勢、電勢能
勢能是儲存於乙個系統內的、可以釋放或者轉化為其他形式的能量,為相互作用的物體所共有。勢能包括引力勢能、彈性勢能、電勢能、核勢能等。
上文電場的基本性質中提到電場能使放入其中的電荷具有能量,該能量即電勢能,單位為焦(j),是標量。單位電荷在電場中某點所具有的電勢能即該點的電勢。電勢是描述電場的能的性質的物理量,單位為v,1v=1j/c。電勢相同的各點構成的面稱為等勢面,各電電勢相同的導體稱為等勢體,兩點間電勢的差值稱為電勢差。
三、導體、絕緣體
自由電荷:存在於物質內部,在外電場作用下能作定向運動的電荷,比如金屬中的自由電子、電解質溶液中的正負離子等,質子是不能移動的。自由電荷的特點是物體內部對它們的束縛比較弱,可以在物體內部自由移動。
讓電流通過稱為導電,即傳導電流。容易傳導電流的物質稱為導體,最常見的就是金屬。導電的原因是物體內部有自由電荷,導體內部就有大量的自由電荷。
自由電荷比較少的物體不容易導電,稱為電絕緣體,比如塑料、橡膠等。絕緣體還包括了熱絕緣體,不過通常意義上的絕緣體指的就是電絕緣體。電絕緣體也稱電介質(與電解質一字之差),理想的電介質內部是沒有自由電荷的,實際的電介質內部總是存在少量自由電荷,它們是造成電介質漏電的原因。漏電是指由於絕緣損壞或其他原因而引起的電流洩漏,理想的電介質完全不會導電當然不會存在漏電的情況。
理想電介質內的正負電荷稱為束縛電荷。有的物質的電子並不是自由電子,它們便是束縛電荷。束縛電荷在電場力作用下只能在原子或分子範圍內做微小位移,不能自由移動。當然,當電場足夠強的時候,束縛電荷還是能變成自由電荷自由移動,這種現象稱為電介質的擊穿,電介質所能承受的最大電場強度稱為擊穿場強。
導體有著靜電感應現象,電介質有著極化現象。
乙個帶電的物體靠近不帶電的導體時,導體內自由電荷在這外加電場的電場力作用下重新分布,異種電荷被吸引到帶電體附近,而同種電荷被排斥到遠離帶電體的導體另一端,這種現象稱為靜電感應,又稱感應起電。導體上因感應而產生的電荷稱為感應電荷,產生的電場稱為感應電場。
導體中(包括表面)沒有電荷定向移動的狀態叫做靜電平衡狀態。靜電平衡狀態一定是由靜電感應產生的,靜電感應最後也一定是靜電平衡狀態。靜電平衡狀態下的導體內部場強為零(因為感應電場和外加電場等大反向),電荷只分布在其表面(因為受外加電場作用近端會因異種電荷相互吸引遠端會因同種電荷相互排斥直到到了表面無法再吸引無法再排斥),其表面為等勢面,此時導體表面和內部的電勢都是相等的(因為內部場強為零電場力不做功),即靜電平衡狀態下的導體為等勢體。等勢體的電荷密度分布與曲率半徑成反比,這稱為尖端放電現象,所以雷雨天氣高樓上空出現帶電雲層而產生靜電感應時,避雷針尖端總是聚集了大部分電荷。
靜電平衡狀態下導體內部場強為0,免受外部電場的影響,該現象稱為靜電遮蔽。
束縛電荷也能做微小位移,在外加電場的作用下發生區別於定向移動的定向轉向,使電介質巨集觀上也能顯示出電性,該現象稱為極化,出現的電荷稱為極化電荷。極化與靜電感應的區別是極化的電介質內部場強不為0。
帶電體(帶著電荷的物體)具有吸引輕小物體的性質,原因在於發生了靜電感應或極化現象。
猴博士物理電磁學筆記 初中電磁學簡單學 一
表弟問 哥,電磁學怎麼學。很簡單!我們將初中電磁學分為四個部分講解透徹。首先是基本概念部分 a 磁現象。要求同學們了解什麼是磁現象?例如指南針的指標偏轉就是一種磁現象 b 磁場。這部分內容需要同學們了解磁場是真實存在的。例如我們上面提到的指南針的指標轉動,就可以證明有磁場的存在,並且磁場力是一種非接...
大學物理電磁學 靜電場的能量
自能 乙個帶電體的電荷可以看作由許多微電荷元組成,把這些微電荷元從無窮遠的分離狀態聚集到這個帶電體上,外力作的功定義為這個帶電體的自能 由於把有限的電荷從無窮遠聚集起來,並壓縮到乙個點上,這個功必須是無窮大,因此點電荷的自能是無窮大。這個時候其實討論點電荷的勢能沒有意義,我們在研究點電荷系統時,通常...
電磁學小結
電磁學 洛淪茲力 磁場中電荷運動 安培 電磁感應 法拉第 磁阻 電感 變壓器 磁場中電荷運動 有速度v的運動電荷,在磁場中,受到力做半徑為r做圓周運動,磁場不提供能量,只改變方向,是能量轉化為動能的中介。洛淪茲力也對導線產生,也和長度有關係 安培 大量的電荷組成一根導線,周圍磁場某平面分布圖是環形圍...