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1、大学物理大学物理 A(1)电磁学（第三册）电磁学（第三册）12005年春季学期年春季学期 陈信义编陈信义编 第第1 1章章 静止电荷的电场静止电荷的电场电磁学（第三册）电磁学（第三册）2【演演示示实实验验】点点电电荷荷平平面面电电荷荷电电力力线线、静静电电跳跳球摆球滚筒、日光灯的静电启辉球摆球滚筒、日光灯的静电启辉1.1 电荷电荷1.3 电场和电场强度电场和电场强度1.5-6 电通量电通量 高斯定理高斯定理1.2 库仑定律与叠加原理库仑定律与叠加原理1.4 静止的点电荷的电场及其叠加静止的点电荷的电场及其叠加1.7 利用高斯定理求静电场的分布利用高斯定理求静电场的分布补充：补充：高斯定理的微分
2、形式高斯定理的微分形式目目 录录31.1 电荷电荷m密立根密立根（R.A.Millikan）带电油滴实验带电油滴实验 （1906 1917,1923年诺贝尔物理奖）年诺贝尔物理奖）2、电荷是量子化电荷是量子化(quantization)的的基本电荷基本电荷 e=1.60217733(49)10-19C1、电荷只有正电荷只有正、负两种负两种电磁现象归因于电荷及其运动电磁现象归因于电荷及其运动m宏观电磁学宏观电磁学电荷值连续电荷值连续m夸克夸克（quark）带分数电荷带分数电荷 和和 但实验未发现自由夸克（夸克囚禁）但实验未发现自由夸克（夸克囚禁）4 在在不不同同惯惯性性系系中中观观测测，同同一一
3、带带电电粒粒子子的的电电量量相同。相同。4、电荷是一个洛仑兹不变量电荷是一个洛仑兹不变量3、电荷守恒电荷守恒：在宏观和微观上在宏观和微观上,电荷总量守恒。电荷总量守恒。5、有电荷就有质量有电荷就有质量 静静质质量量为为零零的的粒粒子子，例例如如光光子子，只只能能是是电电中中性的。性的。，但是，都精确电中性！，但是，都精确电中性！不确定关系：不确定关系：例如：例如：H2He质子动量：质子动量：51/40=8.9880 109 Nm2/C2 9 109 Nm2/C2 0真空介电常数真空介电常数(Permittivity of vacuum)0=8.85 10-12 C2/Nm21.2 库仑定律与叠
4、加原理库仑定律与叠加原理 惯性系，真空中的两静止惯性系，真空中的两静止（或低速或低速）点电点电荷荷间的作用力为间的作用力为q2q1一、库仑定律一、库仑定律6平方反比规律平方反比规律(与万有引力定律类似与万有引力定律类似)如果指数严格等于如果指数严格等于2，则，则光子静质量为零。光子静质量为零。光子静质量上限为光子静质量上限为10-48 kg.实验结果实验结果7【例例】比比较较氢氢原原子子中中的的质质子子和和电电子子间间的的库库仑仑力力和万有引力。和万有引力。8库仑力库仑力引力：引力：强力强力电磁力电磁力弱力弱力引力引力 原原子子核核中中的的核核子子（质质子子、中中子子）靠靠强强力力吸吸引，库仑
5、排斥很弱。引，库仑排斥很弱。宏观物体靠分子、原子间的库仑力维系。宏观物体靠分子、原子间的库仑力维系。9二、二、电力的叠加原理电力的叠加原理 实实验验表表明明：两两个个点点电电荷荷之之间间的的作作用用力力并并不不因因第三个点电荷的存在而改变。第三个点电荷的存在而改变。在电磁场的量子效应中，经典叠加原理不成立。在电磁场的量子效应中，经典叠加原理不成立。两两个个以以上上的的点点电电荷荷对对一一个个点点电电荷荷的的作作用用力力，等等于于各各个个点点电电荷荷单单独独存存在在时时对对该该点点电电荷荷作作用用力力的矢量和的矢量和101.3 电场和电场强度电场和电场强度检验电荷检验电荷（静止静止）q0定义定义
6、电场强度：电场强度：即即，静静止止的的单单位位正正电电荷荷所受的电力。所受的电力。静止或运动静止或运动任意电荷分布任意电荷分布F测受力测受力惯性系，点惯性系，点 p(x,y,z)11场的观点场的观点 Maxwell电磁理论电磁理论静止电荷间的作用也可认为是静止电荷间的作用也可认为是“超距作用超距作用”m场的观点：场的观点：电荷之间的相互作用是通过电场电荷之间的相互作用是通过电场传递的，或者说电荷周围存在电场。传递的，或者说电荷周围存在电场。变化的电变化的电磁磁场以光速传播：场以光速传播：场场具有动量、质量具有动量、质量移动带电体，电场力作功：移动带电体，电场力作功：场具有能量场具有能量电场中的
7、带电体，受电场的作用力。电场中的带电体，受电场的作用力。m电场物质性的表现电场物质性的表现m真空真空(vacuum)什么都没有吗？什么都没有吗？电磁场的零点振动电磁场的零点振动 真空涨落真空涨落 自发辐射自发辐射12静静静静动动动动源源电电荷荷qq电荷间的作用力与电场的关系电荷间的作用力与电场的关系13 静静电电场场 在在相相对对场场源源电电荷荷静静止止的的参参考考系系中中观观 测到的电场。测到的电场。静止点电荷的电场静止点电荷的电场1.4 静止点电荷的电场及其叠加静止点电荷的电场及其叠加电力的叠加原理电力的叠加原理电场叠加原理：电场叠加原理：在在 n 个点电荷产生的电场中，某点的电场强个点电
8、荷产生的电场中，某点的电场强度等于每个电荷单独在该点产生的电场强度的度等于每个电荷单独在该点产生的电场强度的矢量和矢量和14连续分布电荷的电场：连续分布电荷的电场：库仑定律库仑定律+电场叠加原理电场叠加原理 完备描述静电场完备描述静电场15【例例】求电偶极子中垂线远点的场强求电偶极子中垂线远点的场强电偶极子电偶极子(Electric dipole)：靠得很近的等量异号点电荷对靠得很近的等量异号点电荷对-qql电偶极矩电偶极矩（Dipole moment）：）：16电偶极子中垂线上远点的场强：电偶极子中垂线上远点的场强：E r-3，比点电荷的电场的衰减得快。比点电荷的电场的衰减得快。17【例例】
9、电场中的电偶极子电场中的电偶极子在均匀电场中，受合力为零。在均匀电场中，受合力为零。+-在均匀电场中受的力矩：在均匀电场中受的力矩：力矩使力矩使 p 尽量和尽量和 E 方向一致。方向一致。电场不均匀，合力不为零。电场不均匀，合力不为零。在电场中，受力矩作用。在电场中，受力矩作用。18+-计算关于任意一点计算关于任意一点O的力矩：的力矩：19解解.把把 q 分成无限多分成无限多 dq，dq 的场强为的场强为对称性对称性所有所有dE 相互抵消相互抵消【例例】求均匀带电细圆环轴线上任一点的场强求均匀带电细圆环轴线上任一点的场强Rdqo orxdEI II IdEp dE20当当xR时，圆环时，圆环点
10、电荷。点电荷。Rdqo orxdEI II IdEp dE21dE pxxRrdrdqs s【例例】求求半半径径为为 R,面面电电荷荷密密度度为为 的的带带电电圆圆盘盘 在轴线上产生的场强。在轴线上产生的场强。解解.对对半径为半径为r，宽度为宽度为dr的圆环的电场的圆环的电场积分得积分得22(1)当当 x R，圆盘圆盘点电荷点电荷231.5-6 电通量电通量 高斯定理高斯定理 通通过过面面元元的的电电通通量量的的符符号号，与与面面元元矢矢量量方方向的定义有关。向的定义有关。一、电通量一、电通量(Flux)1、通过面元通过面元 S 的电通量的电通量面元法向单位矢量面元法向单位矢量，则有，则有nE
11、 S Scos 定义定义面元矢量面元矢量242、通过曲面、通过曲面 S 的电通量的电通量3、通过闭合曲面、通过闭合曲面S的电通量的电通量面元面元 可定义两个指向可定义两个指向规定规定 的方向指向外为正的方向指向外为正 的正负依赖于面元指向的定义的正负依赖于面元指向的定义25：电通量：电通量向外向外“流流”：电通量：电通量向内向内“流流”二、高斯定理二、高斯定理其中其中S为任意闭合曲面为任意闭合曲面高斯面。高斯面。在在真真空空中中的的静静电电场场内内，通通过过任任意意闭闭合合曲曲面面的的电电通通量量，等等于于该该曲曲面面所所包包围围的的电电量量的的代代数数和和的的 1/0 倍倍电通量与电量的关系
12、电通量与电量的关系26（1）E是是曲曲面面上上的的某某点点处处的的场场强强，是是由由全全部部电电荷荷（面（面S内、外）共同产生的。内、外）共同产生的。注意：注意：（2）只只有有闭闭合合曲曲面面内内部部的的电电荷荷，才才对对总总通通量量有贡献。有贡献。27定理的证明：定理的证明：（1）通过包围点电荷通过包围点电荷 q 的的同心球面同心球面的电通量的电通量为为 q/028在球坐标系中在球坐标系中立体角的概念：立体角的概念：x f f y z29闭合曲面对内部一点所张立体角为闭合曲面对内部一点所张立体角为4。证明：证明：OdSd SrdS 30（2）通过包围点电荷通过包围点电荷 q 的的任意任意闭合
13、曲面的电通闭合曲面的电通量为量为 q/0qdSrdS d rS通过闭合面通过闭合面S 的电通量：的电通量：31（3）任任意意闭闭合合曲曲面面外外的的点点电电荷荷通通过过该该曲曲面面的的电电通量为零。通量为零。（4）多个点电荷的电通量等于它们单独存在多个点电荷的电通量等于它们单独存在时电通量的和时电通量的和（场叠加原理场叠加原理）qSdSdS32对称性分析对称性分析 选高斯面选高斯面一、一、均匀带电球面的电场分布均匀带电球面的电场分布1、对称性分析、对称性分析电荷分布球对称电荷分布球对称电场分布球对称电场分布球对称（场强沿径向，只与半径有关）（场强沿径向，只与半径有关）2、选高斯面为同心球面、选
14、高斯面为同心球面1.7 利用高斯定理求静电场的分布利用高斯定理求静电场的分布电荷对称分布情况电荷对称分布情况Q333、球面外电场分布、球面外电场分布4、球面内电场分布、球面内电场分布【思考思考】为什么在为什么在r=R 处处E 不连续？不连续？RrQ rE0R34二、二、均匀带电球体的电场分布均匀带电球体的电场分布RrE0球体内：球体内：球体外：球体外：35三、三、无限长圆柱面无限长圆柱面(线电荷密度线电荷密度)的电场分布的电场分布解解.（1）场强）场强轴对称轴对称沿径向沿径向（2）选半径）选半径r高高h的的同轴圆柱面为高斯面同轴圆柱面为高斯面（3）柱面外）柱面外（4）圆柱面内）圆柱面内rEl
15、lhSS36四、四、带电无限大平板带电无限大平板(面电荷密度面电荷密度)的电场分布的电场分布电场垂直于板，在与板平行的面上电场处电场垂直于板，在与板平行的面上电场处处相等，与板等远处电场的大小相等。处相等，与板等远处电场的大小相等。解解.s+SSS EE与板垂直的均匀场与板垂直的均匀场37+【思考思考】带等量异号电荷的两个无限大平板带等量异号电荷的两个无限大平板之间的电场为之间的电场为 ，板外电场为，板外电场为 。38五、电力线五、电力线电力线条数密度表示场强大小电力线条数密度表示场强大小电力线上某点的切向和该点场强方向一致电力线上某点的切向和该点场强方向一致用电力线描述电场：用电力线描述电场
16、：在在真真空空中中的的静静电电场场内内，通通过过任任意意闭闭合合曲曲面面的的电电力力线线的的条条数数等等于于该该曲曲面面所所包包围围的的电电量的代数和的量的代数和的1/0倍。倍。用电力线叙述高斯定理：用电力线叙述高斯定理：39电力线的性质：电力线的性质：1、静静电电场场的的电电力力线线始始于于正正电电荷荷（或或无无穷穷远远），终于负电荷（或无穷远）。终于负电荷（或无穷远）。2、电力线不相交、电力线不相交（场强的单值性）（场强的单值性）3、静电场的电力线不闭合、静电场的电力线不闭合电力线连续：电力线连续：不会在没有电荷的地方中断不会在没有电荷的地方中断【思考思考】用高斯定理证明以上性质。用高斯定
17、理证明以上性质。【思考思考】电力线是物理实在吗？电力线是物理实在吗？库仑力是有心力，是保守力。库仑力是有心力，是保守力。4041电偶极子电偶极子42一对等量正点电荷一对等量正点电荷43一对异号不等量点电荷一对异号不等量点电荷44平板电容器平板电容器45站在雷雨站在雷雨中的高地中的高地46讨论：讨论：高斯定理只是静电场两个基本定理之一，与下高斯定理只是静电场两个基本定理之一，与下面讲的环路定理结合，才能完备描述静电场。面讲的环路定理结合，才能完备描述静电场。但这不在于数学上的困难。但这不在于数学上的困难。1、电荷分布无对称性，只用高斯定理能求场强电荷分布无对称性，只用高斯定理能求场强分布吗？分布
18、吗？不能。不能。472、对对所所有有平平方方反反比比的的有有心心力力场场，高高斯斯定定理理都适用。都适用。引力场场强引力场场强:通过闭合曲面通量通过闭合曲面通量:总结：总结：场的观点场的观点场强叠加原理场强叠加原理点电荷场叠加点电荷场叠加（任意电荷分布任意电荷分布）电场分布电场分布高斯定理高斯定理（电荷分布有对称性电荷分布有对称性）电场分布电场分布静电的应用：静电的应用：48补充：高斯定理的微分形式补充：高斯定理的微分形式1、电场的散度电场的散度（divergence）S VP电场在电场在P点点的散度定义为的散度定义为为为通过通过包围包围P点的封闭曲面点的封闭曲面S的电通量的电通量其中其中49 静静电电场场是是有有源源场场，源源头头是是电电荷荷密密度度不不为为零的那些点。零的那些点。2、高斯定理的微分形式高斯定理的微分形式50证明：证明：Si ViPiSV51因因V任意，则得任意，则得高斯定理的微分形式高斯定理的微分形式（积分形式）（积分形式）523、散度的计算散度的计算x,y,zx y z z y x53梯度算符梯度算符高斯定理的微分形式可写成高斯定理的微分形式可写成54