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1、10大学物理大学物理电荷和静荷和静电场课件件PPT1、什么是电磁学、什么是电磁学电磁运动是物质的一种基本运动形式。电磁运动是物质的一种基本运动形式。电磁学是研究电磁学是研究电磁运动及其规律的物理学分支。电磁运动及其规律的物理学分支。2、电磁学的主要内容、电磁学的主要内容电荷、电流产生电场和磁场的规律；电荷、电流产生电场和磁场的规律；电场和磁场的相互作用；电场和磁场的相互作用；电磁场对电流、电荷的作用；电磁场对电流、电荷的作用；电磁场中物质的各种性质。电磁场中物质的各种性质。3、学习电磁学的意义、学习电磁学的意义在现代物理学中的地位是非常重要的。在现代物理学中的地位是非常重要的。深入认识物质结构
2、。深入认识物质结构。是学习电工学、无线电电子学、自动控制、计算机技术是学习电工学、无线电电子学、自动控制、计算机技术等学科的基础。等学科的基础。电磁学电磁学本章主要内容：研究真空中静电场的基本特本章主要内容：研究真空中静电场的基本特性：性：描述静电场的物理量：描述静电场的物理量：电场强度电场强度、电势电势静电场的基本定律：静电场的基本定律：库仑定律库仑定律、叠加原理叠加原理 静电场的基本定理：静电场的基本定理：高斯定理高斯定理、环路定理环路定理 静电场对电荷的作用静电场对电荷的作用 一、电荷一、电荷1、电荷、电荷摩擦起电摩擦起电：用木块摩擦过的琥珀能吸用木块摩擦过的琥珀能吸引碎草等轻小物体的现
3、象。许多物体引碎草等轻小物体的现象。许多物体经过毛皮或丝绸等摩擦后，都能够吸经过毛皮或丝绸等摩擦后，都能够吸引轻小的物体。人们引轻小的物体。人们就说它们带了电就说它们带了电，或者或者说它们有了电荷说它们有了电荷。当物质处于电中性时，质子数电子数当物质处于电中性时，质子数电子数当物质的电子过多或过少时，物质就带有电荷当物质的电子过多或过少时，物质就带有电荷 电子过多时电子过多时物体带负电物体带负电 电子过少时电子过少时物体带正电物体带正电原子失去或获得原子失去或获得电子的过程，称电子的过程，称为为电离。电离。10-1 电荷和库仑定律电荷和库仑定律2、电荷守恒定律、电荷守恒定律在一个与外界没有电荷
4、交换的孤立系统中，不管系统中的在一个与外界没有电荷交换的孤立系统中，不管系统中的电荷如何迁移，整个系统的电荷总量（正负电荷的代数和）电荷如何迁移，整个系统的电荷总量（正负电荷的代数和）必定保持不变。必定保持不变。3、电荷量子化电荷量子化电量的定义：电量的定义：物体所带电荷的多少叫作电量。单位：库仑物体所带电荷的多少叫作电量。单位：库仑(C)1913年，密立根用液滴法从实验中测出所有电子都具有相同年，密立根用液滴法从实验中测出所有电子都具有相同的电荷，而且带电体的电荷是电子电荷的整数倍。的电荷，而且带电体的电荷是电子电荷的整数倍。电子电量电子电量 e 带电体电量带电体电量 q=ne,n=1,2,
5、3,.电荷的这种只能取离散的、不连续的量值的性质，叫作电荷的这种只能取离散的、不连续的量值的性质，叫作电荷电荷的量子化的量子化。电子的电荷。电子的电荷e称为称为基元电荷基元电荷，或，或电荷的量子电荷的量子。2002年国际推荐值年国际推荐值4、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在不同的参照系内观察，同一个带电粒子的电量不变。即，一切带电体的电量不因其运动而改变，电荷的变。即，一切带电体的电量不因其运动而改变，电荷的这一性质叫做这一性质叫做电荷的相对论不变性电荷的相对论不变性。1964 1964年年,物理学家盖尔物理学家盖尔-曼曼(M.Gell-
6、Mann)(M.Gell-Mann)预言：强子预言：强子（如质子、中子、介子和超子等）是由更基本的粒子夸克（如质子、中子、介子和超子等）是由更基本的粒子夸克构成的，夸克和反夸克的电量应取构成的，夸克和反夸克的电量应取e/3e/3或或2e/32e/3。但我们。但我们至今尚未发现以自由状态存在的夸克。至今尚未发现以自由状态存在的夸克。电荷是由微观粒子所携带，电量也是物质的一种属性。电荷是由微观粒子所携带，电量也是物质的一种属性。粒子物理的研究表明，任何一种微观粒子都存在其反粒子，粒子物理的研究表明，任何一种微观粒子都存在其反粒子，粒子和它的反粒子分别携带等量异号的电荷，如：电子（）粒子和它的反粒子
7、分别携带等量异号的电荷，如：电子（）和正电子（），质子（）和反质子（）等。和正电子（），质子（）和反质子（）等。二、二、库仑定律库仑定律库仑库仑 (Charlse-Augustin de Coulomb 1736 1806)法国物理学家法国物理学家1773年提出的计算物体上应力和应变分布情年提出的计算物体上应力和应变分布情况的方法，是结构工程的理论基础。况的方法，是结构工程的理论基础。1779年对摩擦力进行分析，提出有关润滑剂年对摩擦力进行分析，提出有关润滑剂的科学理论。的科学理论。17851789年，用扭秤测量静电力和磁力，导年，用扭秤测量静电力和磁力，导出著名的库仑定律。出著名的库仑定律。
8、他还通过对滚动和滑动摩擦的实验研究，得他还通过对滚动和滑动摩擦的实验研究，得出摩擦定律。出摩擦定律。库仑定律内容库仑定律内容在真空中，两个静止的点电荷之间的相互作用力，其大小在真空中，两个静止的点电荷之间的相互作用力，其大小与点电荷电量的乘积成正比，与两点电荷之间距离的平方与点电荷电量的乘积成正比，与两点电荷之间距离的平方成反比，作用力在两点电荷之间的连线上，同号电荷互相成反比，作用力在两点电荷之间的连线上，同号电荷互相排斥，异号电荷互相吸引。排斥，异号电荷互相吸引。真空电容率真空电容率实验表明，库仑力满足线性叠加原理，实验表明，库仑力满足线性叠加原理，即不因第三者的存在而改变两者之间即不因第
9、三者的存在而改变两者之间的相互作用。的相互作用。库仑力的叠加原理：库仑力的叠加原理：库仑力满足牛顿第三定律库仑力满足牛顿第三定律 库仑定律只适用于描述两个相对于观察者为静止的点电库仑定律只适用于描述两个相对于观察者为静止的点电荷之间的相互作用荷之间的相互作用例例101：在氢原子中，电子与质子之间的距离约为在氢原子中，电子与质子之间的距离约为5.310-11m，求它们之间的库仑力与万有引力，并比较它们的大小。，求它们之间的库仑力与万有引力，并比较它们的大小。解：氢原子核与电子可看作点电荷解：氢原子核与电子可看作点电荷万有引力为万有引力为两值比较两值比较结论：库仑力比万有引力大得多，结论：库仑力比
10、万有引力大得多，所以在原子中，作用在电子上的所以在原子中，作用在电子上的力，主要是电场力，万有引力完力，主要是电场力，万有引力完全可以忽略不计。全可以忽略不计。10-2 电场和电场强度电场和电场强度一、电场一、电场1、电场的概念、电场的概念在电荷周围存在有在电荷周围存在有电场电场这种特殊物质，电荷之间的相互作这种特殊物质，电荷之间的相互作用是通过电场传递的。在电场中的任何带电体，都受到电用是通过电场传递的。在电场中的任何带电体，都受到电场的作用力，这种力称为场的作用力，这种力称为电场力电场力。2、静电场和静电力、静电场和静电力静止电荷产生的场叫做静止电荷产生的场叫做静电场静电场。由静电场传递的
11、力称为由静电场传递的力称为静电力。静电力。电荷电荷 电场电场 电荷电荷3、判断电场的存在、判断电场的存在 若将一个电荷引到空间某点，如果它受到电场力的作用，若将一个电荷引到空间某点，如果它受到电场力的作用，该点必定存在电场；如果不受电场力的作用，该点则没有电场。该点必定存在电场；如果不受电场力的作用，该点则没有电场。二、电场强度二、电场强度1、试探电荷、试探电荷线度足够小，小到可以看成点电荷；线度足够小，小到可以看成点电荷；电电量量足足够够小小，小小到到把把它它放放入入电电场场中中后后，原原来来的的电电场场几乎没有什么变化。几乎没有什么变化。2、实验、实验在静止的电荷在静止的电荷Q周围的静电场
12、中，放入试探电荷周围的静电场中，放入试探电荷q0，讨，讨论试探电荷论试探电荷q0 的受力情况。的受力情况。F与与r 有关，而且还与试探电荷有关，而且还与试探电荷q0 有关。有关。3、电场强度、电场强度试探电荷受到源电荷的作用力与试验电荷电量的比值试探电荷受到源电荷的作用力与试验电荷电量的比值F/q0 则则与试探电荷无关，可以反映电场本身的性质，用这个物理量与试探电荷无关，可以反映电场本身的性质，用这个物理量作为描写电场的场量，称为作为描写电场的场量，称为电场强度电场强度（简称场强）。（简称场强）。电场中某点的电场强度的大小，等于单电场中某点的电场强度的大小，等于单位正试探电荷在该点所受的电场力
13、位正试探电荷在该点所受的电场力，电，电场强度的方向与电场力的方向一致（当场强度的方向与电场力的方向一致（当q0为正值时）。为正值时）。单位：单位：N.C-1或或V.m-1电场强度是电场的属性，与试探电荷的电场强度是电场的属性，与试探电荷的存在与否无关，并不因无试探电荷而不存在与否无关，并不因无试探电荷而不存在，只是由试探电荷反映。存在，只是由试探电荷反映。4、电场力、电场力电荷电荷q在电场在电场E中中的电场力的电场力当当q0时，电场力时，电场力方向与电场强度方方向与电场强度方向相同；向相同；当当qr0时，时，x2-r0 2/4 x2在电偶极子轴线延长线上任意在电偶极子轴线延长线上任意点的电场强
14、度的大小与电偶极点的电场强度的大小与电偶极子的电偶极矩大小成正比，与子的电偶极矩大小成正比，与电偶极子中心到该点的距离的电偶极子中心到该点的距离的三次方成反比；电场强度的方三次方成反比；电场强度的方向与电偶极矩的方向相同。向与电偶极矩的方向相同。3、电偶极子中垂线上一点的电场强度、电偶极子中垂线上一点的电场强度当当yr0时，时，y2+r0 2/4 y2电偶极子中垂线上距离中电偶极子中垂线上距离中心较远处一点的场强，与心较远处一点的场强，与电偶极子的电矩成正比，电偶极子的电矩成正比，与该点离中心的距离的三与该点离中心的距离的三次方成反比，方向与电矩次方成反比，方向与电矩方向相反。方向相反。例题例
15、题10-2 有一均匀带电直线，单位长度上的电量有一均匀带电直线，单位长度上的电量为为 ，求离直线的距离为，求离直线的距离为a的的P点处的场强。点处的场强。解解 此类题可按下列步骤求解此类题可按下列步骤求解:(1)建立适当的坐标系，如图所示。建立适当的坐标系，如图所示。(2)将直线分为长为将直线分为长为dx的无限多个电荷元的无限多个电荷元dq=dx(视视为点电荷为点电荷)，并写出一个有代表性，并写出一个有代表性(位置用一变量表示位置用一变量表示)的电荷元在的电荷元在P点产生的电场：点产生的电场：由于不同位置的电荷元在由于不同位置的电荷元在P点产生的场强点产生的场强dE方向不同方向不同,故应将故应
16、将dE向向x轴和轴和y轴方向投轴方向投影影,于是有于是有(3)分析问题的对称性。分析问题的对称性。oPaxy xdqdxrdExdEy dEx=dEcos (4)统一积分变量统一积分变量,定积定积分限分限,完成积分完成积分,得到所求场得到所求场强分量式强分量式r=a/sin ,x=-a.cot ,dx=ad /sin2 dEy=dEsin 1 2oPaxy xdqdxrdExdEy (1)对无限长带电直线对无限长带电直线,讨论讨论:记住！记住！(2)对平面、柱面等形状对平面、柱面等形状,可利用带电直线公式积分。可利用带电直线公式积分。1 2oPaxy xdqdxrdExdEy 1=0和和 2=
17、；代入得；代入得 例题例题10-3 求均匀带电的无限大平面外任一点的求均匀带电的无限大平面外任一点的场强场强(设平面单位面积上的电量为设平面单位面积上的电量为 )。解解 分为若干长直导线积分。分为若干长直导线积分。由对称性可知，平面外由对称性可知，平面外P点的电场方向是垂直于点的电场方向是垂直于平面向上的平面向上的(即即y方向方向)，所以，所以完成积分得完成积分得:.1=.1dxdx1xyoaP.xdxr无限大平面电无限大平面电场与场与a无关。无关。(匀强电场匀强电场)E=0E=02记住无限大记住无限大平面电场！平面电场！+-例题例题10-4 一均匀带电一均匀带电Q的圆弧，半径为的圆弧，半径为
18、R、圆心、圆心角为角为，求圆心，求圆心o处的电场。处的电场。解解 由对称性可知，圆心由对称性可知，圆心o点点的电场是沿角的电场是沿角 的平分线的平分线(y轴轴)方方向的。向的。将圆弧划分为若干电荷元将圆弧划分为若干电荷元dq(点电荷点电荷)，利用点电荷公式积分：，利用点电荷公式积分：oRQyxxoyRdqd 例题例题10-5 一半径为一半径为R的圆环，的圆环，电荷线密度电荷线密度=ocos ,其中其中 o为为常量，求圆心常量，求圆心o点的场强。点的场强。解解 将圆环分为若干个点电将圆环分为若干个点电荷荷dq积分。积分。RxyoodqRxyd 例题例题10-6 一圆环半径为一圆环半径为R、均匀带
19、电、均匀带电q，求轴线，求轴线上一点的场强。上一点的场强。解解 由对称性可知，轴线上由对称性可知，轴线上的电场方向是沿轴线向上的。的电场方向是沿轴线向上的。即即讨论：讨论：任何均匀带电的旋转体任何均匀带电的旋转体(如圆形、球形、柱形如圆形、球形、柱形)用圆环公式积分求电场最为方便。用圆环公式积分求电场最为方便。poRxqrdq 例题例题10-7 一均匀带电的半球面，半径为一均匀带电的半球面，半径为R，电，电荷面密度为荷面密度为，求球心，求球心o处的电场强度。处的电场强度。解解 图中圆环产生的电场：图中圆环产生的电场：dq=.2 r.Rd z2+r2=R2,z=Rcos Eod zRr场强方向如
20、图所示。场强方向如图所示。10-3 高斯定理高斯定理1、定义、定义一、电场线一、电场线电电场场线线上上每每一一点点的的场场强强的的方方向向与与该该点点切切线线方方向向相相同同，而而且且电电场场线线箭头的指向表示场强的方向。箭头的指向表示场强的方向。2、几种典型的电场线分布、几种典型的电场线分布 正点电荷正点电荷 负点电荷负点电荷等等量量正正点点电电荷荷等等量量异异号号点点电电荷荷3、电场线密度、电场线密度定义：经过电场中任一点，作一面积元定义：经过电场中任一点，作一面积元dS，并使它与该点的场强垂直，若通过，并使它与该点的场强垂直，若通过dS面的电场线条数为面的电场线条数为de，则电场线密，则
21、电场线密度为度为de/dS。4、静电场的电场线性质、静电场的电场线性质电场线起于正电荷（或无限远），止于负电荷（或无限远）；电场线起于正电荷（或无限远），止于负电荷（或无限远）；不是闭合曲线，也不在没有电荷的地方中断；不是闭合曲线，也不在没有电荷的地方中断；任何两条电场线在没有电荷的地方都不会相交。任何两条电场线在没有电荷的地方都不会相交。5、关于电场线的几点说明、关于电场线的几点说明电场线是人为画出的，在实际电场中并不存在；电场线是人为画出的，在实际电场中并不存在；电场线可以形象地、直观地表现电场的总体情况电场线可以形象地、直观地表现电场的总体情况;电场线图形可以用实验演示出来。电场线图形可
22、以用实验演示出来。对于匀强电场，电场线密度处处相对于匀强电场，电场线密度处处相等，而且方向处处一致。等，而且方向处处一致。二、电（场强度）通量二、电（场强度）通量1、定义、定义通过电场中任一曲面的电场线的条数叫做通过这一通过电场中任一曲面的电场线的条数叫做通过这一面元的面元的电场强度通量电场强度通量。2、匀强电场的电通量、匀强电场的电通量平面平面S与与E平行时平行时平面平面S与与E有夹角有夹角时时en3、非均匀电场的电通量、非均匀电场的电通量微元微元dS对封闭曲面对封闭曲面4、方向的规定、方向的规定闭合曲面外法线方向闭合曲面外法线方向(自内向外自内向外)为正。为正。当电场线从面内当电场线从面内
23、穿出穿出时时,d e 为为正正;当电场线由面外当电场线由面外穿入穿入时时,d e 为为负负SndS 三、高斯定理三、高斯定理高斯（高斯（Carl Friedrich Gauss 17771855）德国数学家、德国数学家、天文学家和物天文学家和物理学家。高斯理学家。高斯在数学上的建在数学上的建树颇丰，有树颇丰，有“数学王子数学王子”美美称。称。高斯长期从事于数学并将数学应用于物理学、天高斯长期从事于数学并将数学应用于物理学、天文学和大地测量学等领域的研究，主要成就：文学和大地测量学等领域的研究，主要成就：(1)物理学和地磁学：关于静电学、温差电和摩物理学和地磁学：关于静电学、温差电和摩擦电的研究
24、、利用绝对单位（长度、质量和时间）擦电的研究、利用绝对单位（长度、质量和时间）法则量度非力学量以及地磁分布的理论研究。法则量度非力学量以及地磁分布的理论研究。(2)光学光学：利用几何学知识研究光学系统近轴光：利用几何学知识研究光学系统近轴光线行为和成像，建立高斯光学。线行为和成像，建立高斯光学。(3)天文学和大地测量学中：如小行星轨道的计天文学和大地测量学中：如小行星轨道的计算，地球大小和形状的理论研究等。算，地球大小和形状的理论研究等。(4)试验数据处理：结合试验数据的测算，发展试验数据处理：结合试验数据的测算，发展了概率统计理论和误差理论，发明了最小二乘法，了概率统计理论和误差理论，发明了
25、最小二乘法，引入高斯误差曲线。引入高斯误差曲线。(5)高斯还创立了电磁量的绝对单位制。高斯还创立了电磁量的绝对单位制。1、高斯定理的内容、高斯定理的内容通过任意闭合曲面通过任意闭合曲面S的电通量，等于该闭合曲面所包围的所有的电通量，等于该闭合曲面所包围的所有电荷的代数和除以电荷的代数和除以0，与封闭曲面外的电荷无关。，与封闭曲面外的电荷无关。2、证明、证明出发点：库仑定律和叠加原理出发点：库仑定律和叠加原理球面上各点的场强方向与其径向相同。球面上各点的场强方向与其径向相同。球面上各点的场强大小由库仑定律给出。球面上各点的场强大小由库仑定律给出。面元面元ds 的方向为面元的法线方向的方向为面元的
26、法线方向.通过一个与点电荷通过一个与点电荷q 同心的球面同心的球面S的电通量的电通量 qdSErS此结果与球面的半径无关。或者说，通过各此结果与球面的半径无关。或者说，通过各球面的电场线总条数相等。球面的电场线总条数相等。从从 q发出的电场线发出的电场线连续的延伸到无穷远。连续的延伸到无穷远。包围点电荷包围点电荷q的任意封闭曲面的任意封闭曲面S qSS 电场线电场线对于任意一个闭合曲面对于任意一个闭合曲面S，只要电荷被包，只要电荷被包围在围在S面内，由于电场线是连续的，在没面内，由于电场线是连续的，在没有电荷的地方不中断，因而穿过闭合曲有电荷的地方不中断，因而穿过闭合曲面面S与与S的电场线数目
27、是一样的。的电场线数目是一样的。由于由于电场线的连续性电场线的连续性可知，穿入与可知，穿入与穿出任一闭合曲面的电通量应该相穿出任一闭合曲面的电通量应该相等。所以当闭合曲面内无电荷时，等。所以当闭合曲面内无电荷时，电通量为零。电通量为零。通过不包围点电荷的任意闭合曲面的电通量为零通过不包围点电荷的任意闭合曲面的电通量为零多个点电荷的电通量等于它们单独存多个点电荷的电通量等于它们单独存在时的电通量的代数和在时的电通量的代数和利用利用场强叠加原理场强叠加原理可证可证连续分布连续分布 qS 电场线电场线S q3、关于高斯定理的说明、关于高斯定理的说明高斯定理是反映静电场性质（高斯定理是反映静电场性质（
28、有源性有源性）的一条基本定理；）的一条基本定理；高斯定理是在高斯定理是在库仑定律库仑定律的基础上得出的，但它的应用范围比的基础上得出的，但它的应用范围比库仑定律更为广泛；库仑定律更为广泛；高斯定理中的高斯定理中的电场强度是封闭曲面内和曲面外的电荷共同产电场强度是封闭曲面内和曲面外的电荷共同产生生的，并非只由曲面内的电荷确定；的，并非只由曲面内的电荷确定；若高斯面内的电荷的电量为零，则通过高斯面的电通量为零，若高斯面内的电荷的电量为零，则通过高斯面的电通量为零，但高斯面上各点的电场强度并不一定为零；但高斯面上各点的电场强度并不一定为零；通过任意闭合曲面的电通量只决定于它所包围的电荷的代数通过任意
29、闭合曲面的电通量只决定于它所包围的电荷的代数和，闭合曲面外的电荷对电通量无贡献。但电荷的空间分布和，闭合曲面外的电荷对电通量无贡献。但电荷的空间分布会影响闭合面上各点处的场强大小和方向；会影响闭合面上各点处的场强大小和方向；高斯定理中所说的闭合曲面，通常称为高斯面高斯定理中所说的闭合曲面，通常称为高斯面。四、高斯定律应用举例四、高斯定律应用举例高斯定理的一个重要应用，是用来计算带电体周围电场的电高斯定理的一个重要应用，是用来计算带电体周围电场的电场强度。实际上，只有在场强分布具有一定的对称性时，才场强度。实际上，只有在场强分布具有一定的对称性时，才能比较方便应用高斯定理求出场强。求解的关键是选
30、取适当能比较方便应用高斯定理求出场强。求解的关键是选取适当的高斯面。常见的具有对称性分布的源电荷有：的高斯面。常见的具有对称性分布的源电荷有：球对称分布：球对称分布：包包括均匀带电的球括均匀带电的球面，球体和多层面，球体和多层同心球壳等同心球壳等无限大平面电荷：无限大平面电荷：包括无限大的均包括无限大的均匀带电平面，平匀带电平面，平板等。板等。轴对称分布：轴对称分布：包包括无限长均匀带括无限长均匀带电的直线，圆柱电的直线，圆柱面，圆柱壳等；面，圆柱壳等；步骤：步骤：1.进行对称性分析进行对称性分析，即由电荷分布的对称性，分析场强分，即由电荷分布的对称性，分析场强分布的对称性，判断能否用高斯定理
31、来求电场强度的分布布的对称性，判断能否用高斯定理来求电场强度的分布（常见的对称性有球对称性、轴对称性、面对称性等）；（常见的对称性有球对称性、轴对称性、面对称性等）；2.根据场强分布的特点，作根据场强分布的特点，作适当的高斯面适当的高斯面，要求：，要求：待求场强的场点应在此高斯面上，待求场强的场点应在此高斯面上，穿过该高斯面的电通量容易计算。穿过该高斯面的电通量容易计算。一般地，高斯面各面元的法线矢量一般地，高斯面各面元的法线矢量n与与E平行或垂直，平行或垂直，n与与E平行时，平行时，E的大小要求处处相等，使得的大小要求处处相等，使得E能提到积分号外能提到积分号外面；面；3.计算电通量和高斯面
32、内所包围的电荷的代数和计算电通量和高斯面内所包围的电荷的代数和，最后由高，最后由高斯定理求出场强。斯定理求出场强。例例10-8 均匀带电球壳的场强。均匀带电球壳的场强。设有一半径为设有一半径为R、均匀带电为、均匀带电为Q的薄球壳。求球壳内部和外的薄球壳。求球壳内部和外部任意点的电场强度。部任意点的电场强度。解：以球心到场点的距离为半径作解：以球心到场点的距离为半径作一球面，则通过此球面的电通量为一球面，则通过此球面的电通量为根据高斯定理，通过球面的电通量根据高斯定理，通过球面的电通量为球面内包围的电荷为球面内包围的电荷当场点在球壳外时当场点在球壳外时当场点在球壳内时当场点在球壳内时高斯面高斯面
33、高斯面高斯面均匀带电球壳均匀带电球壳结果表明：结果表明：均匀带电球壳外的均匀带电球壳外的电场强度分布象球面上的电荷电场强度分布象球面上的电荷都集中在球心时所形成的点电都集中在球心时所形成的点电荷在该区的电场强度分布一样。荷在该区的电场强度分布一样。例例10-9 均匀带电球体的场强。均匀带电球体的场强。设有一半径为设有一半径为R、均匀带电为、均匀带电为Q的球体。的球体。求球体内部和外部任意点的电场强度。求球体内部和外部任意点的电场强度。均匀带电球体均匀带电球体解：以球心到场点的距离为半径作一球解：以球心到场点的距离为半径作一球面，则通过此球面的电通量为面，则通过此球面的电通量为根据高斯定理，通过
34、球面的电通量为根据高斯定理，通过球面的电通量为球面内包围的电荷球面内包围的电荷当场点在球体外时当场点在球体外时当场点在球体内时当场点在球体内时例例10-10 无限长均匀带电直线的场强无限长均匀带电直线的场强设有一无限长均匀带电直线，电荷线密度设有一无限长均匀带电直线，电荷线密度为为，求距离直线为，求距离直线为 r 处的电场强度。处的电场强度。解：以带电直导线为轴，作一个通过解：以带电直导线为轴，作一个通过P点，点，高为高为h的圆筒形封闭面为高斯面的圆筒形封闭面为高斯面 S，通过，通过S面的电通量为圆柱侧面和上、下底面三部面的电通量为圆柱侧面和上、下底面三部分的通量。分的通量。S 其中上、下底面
35、的电场强度方向与面平行，电通量为零。其中上、下底面的电场强度方向与面平行，电通量为零。所以式中后两项为零。所以式中后两项为零。此闭合面包含的电荷总量此闭合面包含的电荷总量其方向沿求场点到直导线的垂其方向沿求场点到直导线的垂线方向。正负由电荷的符号决线方向。正负由电荷的符号决定。定。解：由于电荷分布对于求场点解：由于电荷分布对于求场点 P到平面到平面的垂线的垂线 OP 是对称的，所以是对称的，所以 P点的场强点的场强必然垂直于该平面。必然垂直于该平面。例例10-11 无限大均匀带电平面的场强。无限大均匀带电平面的场强。设有一无限大均匀带电平板，单位面积上的电荷，即电设有一无限大均匀带电平板，单位
36、面积上的电荷，即电荷面密度为荷面密度为，求距离平板为，求距离平板为r处的电场强度。处的电场强度。电场强度的方向垂直于带电平面。电场强度的方向垂直于带电平面。高斯面所包围的电量为高斯面所包围的电量为由此可知，电场强度为由此可知，电场强度为由高斯定理可知由高斯定理可知电场强度方向离开平面电场强度方向离开平面电场强度方向指向平面电场强度方向指向平面例例10-12 两个带等量异号电荷的无限大平行平面的电场两个带等量异号电荷的无限大平行平面的电场设面电荷密度分别为设面电荷密度分别为1=+和和2=-解：该系统不再具有简单的对称性，不能直接应用高斯定律。解：该系统不再具有简单的对称性，不能直接应用高斯定律。
37、然而每一个带电平面的场强先可用高斯定律求出，然而每一个带电平面的场强先可用高斯定律求出，然后再用然后再用叠加原理叠加原理求两个带电平面产生的总场强。求两个带电平面产生的总场强。由图可知，在由图可知，在A 区和区和B区场强均为零。区场强均为零。C区场强的方向从带正电的平板指向带负区场强的方向从带正电的平板指向带负电的平板。电的平板。场强大小为一个带电平板产场强大小为一个带电平板产生的场强的两倍。生的场强的两倍。一、静电场属于保守场一、静电场属于保守场10-4 电势及其与电场强度的关系电势及其与电场强度的关系点电荷点电荷q固定于原点固定于原点O，试探电荷，试探电荷q0在在q的电场中由的电场中由A点
38、沿任意路径点沿任意路径ACB到达到达B点，取微元点，取微元dl，电场力对，电场力对q0的的元功为元功为1、点电荷电场、点电荷电场E在点电荷的非匀强在点电荷的非匀强电场中，电场力对电场中，电场力对试探电荷所作的功试探电荷所作的功与其移动时起始位与其移动时起始位置与终了位置有关，置与终了位置有关，与其所经历的路径与其所经历的路径无关。无关。2、任意带电体电场、任意带电体电场任意带电体都可以看成由许多点电荷组成的点电荷系，根据任意带电体都可以看成由许多点电荷组成的点电荷系，根据叠加原理可知，点电荷系的场强为各点电荷场强的叠加叠加原理可知，点电荷系的场强为各点电荷场强的叠加任意点电荷系的电场力所作的功
39、为任意点电荷系的电场力所作的功为每一项均与路径无关，故它们的代数和也必然与路径无关。每一项均与路径无关，故它们的代数和也必然与路径无关。3、结论、结论在真空中，一试探电荷在静电场中移动时，静电场力对它在真空中，一试探电荷在静电场中移动时，静电场力对它所作的功，仅与试探电荷的电量、所作的功，仅与试探电荷的电量、起始与终了位置有关起始与终了位置有关，而与试探电荷所经过的路径无关。而与试探电荷所经过的路径无关。静电场力也是保守力，静电场是保守场。静电场力也是保守力，静电场是保守场。二、静电场的环路定理二、静电场的环路定理在静电场中，将试探电荷沿闭合路在静电场中，将试探电荷沿闭合路径移动一周时，电场力
40、所作的功为径移动一周时，电场力所作的功为ABCD电场力作电场力作功功与路径无与路径无关关定义：定义：电场强度沿任意闭合路径电场强度沿任意闭合路径的线积分叫电场强度的环流。的线积分叫电场强度的环流。静电场环路定理：静电场环路定理：在静电场中，在静电场中，电场强度的环流为零。电场强度的环流为零。三、电势能、电势差和电势三、电势能、电势差和电势电荷在电场的一定位置上，具电荷在电场的一定位置上，具有一定的能量，叫做有一定的能量，叫做电势能电势能。PQ静电场力对电荷所作的功等于电静电场力对电荷所作的功等于电势能增量的负值。势能增量的负值。电势能为零的参考点选择也是任意的，若电势能为零的参考点选择也是任意
41、的，若WQ=0，则，则电场中电场中P点的电势能为：点的电势能为：结论：试探电荷结论：试探电荷q0在电场中点在电场中点P的电的电势能，在数值上等于把它从点势能，在数值上等于把它从点P移移动到零电势能处的电场力所作的功。动到零电势能处的电场力所作的功。1 1、电势能、电势能2、电势差、电势差 静电场中任意两点静电场中任意两点P、Q之间的电势差，在数值上之间的电势差，在数值上等于把单位正电荷从点等于把单位正电荷从点P移到点移到点Q时，静电场力所作的时，静电场力所作的功。功。电势差电势差也叫也叫电压电压。3、电势、电势 比值比值 WP/q0、WQ/q0与与q0无关，只决定于电场的性无关，只决定于电场的
42、性质及场点的位置，所以这个比值是反映电场本身性质的质及场点的位置，所以这个比值是反映电场本身性质的物理量，可以称之为电场中物理量，可以称之为电场中P点和点和Q点的点的电势。电势。显然它显然它们分别等于单位正电荷在们分别等于单位正电荷在P P、Q Q两点的电势能。两点的电势能。说明：说明：电势是标量，有正有负；电势是标量，有正有负；电势的单位：伏特电势的单位：伏特 1V=1J.C1V=1J.C-1-1；电势具有相对意义，它决定于电势零点的选择。电势具有相对意义，它决定于电势零点的选择。在理论计算中，通常选择无穷远处的电势为零；在理论计算中，通常选择无穷远处的电势为零；在实际工作中，通常选择大地的
43、电势为零。在实际工作中，通常选择大地的电势为零。但是对于但是对于“无限大无限大”或或“无限长无限长”的带电体，只能在的带电体，只能在有限的范围内选取某点为电势的零点。有限的范围内选取某点为电势的零点。电势零点的选择和电势能零点的选择是一样的。电势零点的选择和电势能零点的选择是一样的。电势的表示：电势的表示：电场中某点的电势在数值上等于把单位正电荷从该电场中某点的电势在数值上等于把单位正电荷从该点移到电势能为零的点时，电场力所作的功。点移到电势能为零的点时，电场力所作的功。当电荷分布在有限空间时，无当电荷分布在有限空间时，无限远处的电势能和电势为零限远处的电势能和电势为零1、点电荷电场中任一点的
44、电势、点电荷电场中任一点的电势当当选择无限远处为电势零点时：选择无限远处为电势零点时：正点电荷电场的电势恒为正，离电荷越远，电势越低；正点电荷电场的电势恒为正，离电荷越远，电势越低；负点电荷电场的电势恒为负，离电荷越远，电势越高。负点电荷电场的电势恒为负，离电荷越远，电势越高。四、电势的计算四、电势的计算空间有一点电荷空间有一点电荷q，求与它相距，求与它相距r的点的点P的电势。的电势。选择无限远处为电势零点选择无限远处为电势零点结论：结论：2、点电荷系电场中任一点的电势、点电荷系电场中任一点的电势电场由电场由n个点电荷个点电荷q1，q2，qn产生产生点电荷系所激发的电场中某点的电势，等于点电荷
45、系所激发的电场中某点的电势，等于各点电荷单独存在时在该点的电势的代数和。各点电荷单独存在时在该点的电势的代数和。这个结论叫做静电场的这个结论叫做静电场的电势叠加原理电势叠加原理。若第若第i i个点电荷到点个点电荷到点P P的距离为的距离为riri，那么，那么3、任意带电体电场中任一点的电势、任意带电体电场中任一点的电势Prdq线分布线分布面分布面分布体分布体分布例题例题10-13 10-13 均匀带电圆环轴线的电势。均匀带电圆环轴线的电势。已知电荷已知电荷q 均匀地分布在半径为均匀地分布在半径为R的圆环上，的圆环上，求圆环的轴线上与环心相距求圆环的轴线上与环心相距x 的点的电势。的点的电势。解
46、：在圆环上取一电荷元解：在圆环上取一电荷元它在场点的电势为它在场点的电势为积分得场点的电势为积分得场点的电势为Ox例题例题10-14 10-14 均匀带电圆盘轴线的电势。均匀带电圆盘轴线的电势。已知电荷已知电荷q均匀地分布在半径为均匀地分布在半径为R的圆盘上，的圆盘上，求圆盘的轴线上与盘心相距求圆盘的轴线上与盘心相距x的点的电势。的点的电势。解：在圆盘上取一半径为解：在圆盘上取一半径为r，宽度为，宽度为dr的圆环，其电量为的圆环，其电量为dq=2rdr，在场点，在场点的电势为的电势为积分得场点的电势为积分得场点的电势为当当xR时时把圆盘当作把圆盘当作一个点电荷一个点电荷例题例题10-15 10
47、-15 均匀带电球体的电势。均匀带电球体的电势。已知电荷已知电荷q均匀地分布在半径为均匀地分布在半径为R的球的球体上，求空间各点的电势。体上，求空间各点的电势。解：由高斯定理可求出电场强度的分布解：由高斯定理可求出电场强度的分布方向沿径向方向沿径向当当rR时时当当rR时时例题例题10-16 10-16 均匀带电球壳的电势。均匀带电球壳的电势。已知电荷已知电荷q均匀地分布在半径为均匀地分布在半径为R的球的球壳上，求空间各点的电势。壳上，求空间各点的电势。解：由高斯定理可求出电场强度的分布解：由高斯定理可求出电场强度的分布方向沿径向方向沿径向当当rR时时当当rR时时RrV例题例题10-17 10-
48、17 求无限长均匀带电直线的电场中的电势分布。求无限长均匀带电直线的电场中的电势分布。解：解：假设电荷线密度为假设电荷线密度为l l，则，则场强为场强为：由此例看出，当电荷分布扩展到无穷远时，由此例看出，当电荷分布扩展到无穷远时，电势零点不能再选在无穷远处。电势零点不能再选在无穷远处。若仍然选取无穷远为电势零点，则由积分可知各点电势将若仍然选取无穷远为电势零点，则由积分可知各点电势将为无限大而失去意义。此时，我们可以选取某一距带电直为无限大而失去意义。此时，我们可以选取某一距带电直导线为导线为rB的的B点为电势零点，则距带电直线为点为电势零点，则距带电直线为r的的P点的电势：点的电势：方向垂直
49、于带电直线。方向垂直于带电直线。五、等势面五、等势面1、定义、定义电场中电势相等的点连起来所构成的面，叫做电场中电势相等的点连起来所构成的面，叫做等等势面势面。即。即V(x,y,z)=C，的空间曲面称为，的空间曲面称为等势面等势面。等势面上的任一曲线叫做等势面上的任一曲线叫做等势线等势线。2、等势面的性质、等势面的性质在等势面上移动电荷时，电场力不作功；在等势面上移动电荷时，电场力不作功；证明：证明：因为将单位正电荷从等势面上因为将单位正电荷从等势面上M点移到点移到N点，点，电场力做功为零，而路径不为零，电场力做功为零，而路径不为零，dl0除电场强度为零处外，电场线与等势面正交。除电场强度为零
50、处外，电场线与等势面正交。电场线的方向指向电势降落的方向。电场线的方向指向电势降落的方向。3、典型的电场线与等势面、典型的电场线与等势面正点电荷的电场正点电荷的电场负点电荷的电场负点电荷的电场匀强电匀强电场场规定：规定：两个相邻等势面的电势差相等，所以等势面较密两个相邻等势面的电势差相等，所以等势面较密集的地方，场强较大；等势面较稀疏的地方，场强较小。集的地方，场强较大；等势面较稀疏的地方，场强较小。4、应用、应用测量电势分布，得到等势面，在根据等势面与电场测量电势分布，得到等势面，在根据等势面与电场强度的关系，定性画出电场线。强度的关系，定性画出电场线。六、电势与电场强度的关系六、电势与电场