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1、 1. 静电场 （Electrostatic field） 1-1 静电的基本现象和基本规律1.两种电荷通过实验可知，自然界中存在两种电荷，一种与丝绢摩通过实验可知，自然界中存在两种电荷，一种与丝绢摩擦过的玻璃棒的电荷相同擦过的玻璃棒的电荷相同正电荷正电荷（positive chargepositive charge）; ;另一种与毛皮摩擦过的硬橡胶棒的电荷相同另一种与毛皮摩擦过的硬橡胶棒的电荷相同负电负电荷荷（negative chargenegative charge）同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。正电荷与负电荷相互完全抵消的状态叫做中和。正电荷与负
2、电荷相互完全抵消的状态叫做中和。2.静电感应 电荷守恒定律用验电器做演示试验：用验电器做演示试验：图图1-11-1验电器验电器除了摩擦起电以外，另一重要的起电方式是静电感应除了摩擦起电以外，另一重要的起电方式是静电感应。 图图1-21-2电荷既不能产生，也不能电荷既不能产生，也不能消失，它们只能从一个物体消失，它们只能从一个物体 转移到另一个物体，或从物转移到另一个物体，或从物 体的一部分转移到另一部分体的一部分转移到另一部分 ，即在任何物理过程中，电，即在任何物理过程中，电 荷的代数和是守恒的荷的代数和是守恒的电电 荷守恒定律荷守恒定律它不仅适用它不仅适用于宏观现象，而且适用于微于宏观现象，
3、而且适用于微 观现象观现象. . 3 导体，绝缘体半导体 按照电荷能否容易转移或通过，习惯上可以把物体分成几按照电荷能否容易转移或通过，习惯上可以把物体分成几 大类：大类：11电荷容易通过的物体电荷容易通过的物体导体，导体，电阻率范围大约：电阻率范围大约： =10E-510E-4m=10E-510E-4m22电荷不容易通过的物体电荷不容易通过的物体绝缘体，绝缘体，电阻率范围大约：电阻率范围大约： =10E1010E22m=10E1010E22m33介于导体与绝缘体之间的且电性质非常特殊的材料介于导体与绝缘体之间的且电性质非常特殊的材料 半导体，如硅、锗等。半导体，如硅、锗等。电阻率范围大约：电
4、阻率范围大约： =10E410E10m=10E410E10m附录1：外场改变对称分布外场改变对称分布 导体和非导体的能带模型导体和非导体的能带模型 绝缘体：绝缘体： 能带为满带或空带能带为满带或空带 导体：能带被部分电子填充导体：能带被部分电子填充 导体、绝缘体和半导体的深入物理解释导体、绝缘体和半导体的深入物理解释 -能带论介绍能带论介绍：附录2： 超导超导：当温度降低到某特定温度超导：当温度降低到某特定温度TCTC时，时， 材料电阻变为零材料电阻变为零 的现象。的现象。TC TC 被成为正常态和超导态之间的转变温度。被成为正常态和超导态之间的转变温度。 元素名超导临导临 界温度(K) 发现
5、发现 年代汞4.151911 铌铌9.21930铌铌三硅17.1 1953铌铌三锗锗23.21973镧锶铜镧锶铜 氧48.6 1986 钇钡铜钇钡铜 氧78.51987汞钡钙铜钡钙铜 氧13419934.物质的电结构 物体具有不同的导电性，可用物质的微观结构解释。金属物体具有不同的导电性，可用物质的微观结构解释。金属之所以导电，因为金属中有许多自由电子，它们较容易摆之所以导电，因为金属中有许多自由电子，它们较容易摆脱原子核的束缚而自由地在金属内部运动。电解液中，有脱原子核的束缚而自由地在金属内部运动。电解液中，有许多做宏观运动地正负离子，所以电解液导电。在绝缘体许多做宏观运动地正负离子，所以电
6、解液导电。在绝缘体中，电子受到原子核的束缚，基本上无自由电子（价电子中，电子受到原子核的束缚，基本上无自由电子（价电子），所以它们导电性能较差。一个质子的电量为），所以它们导电性能较差。一个质子的电量为e,e,一个电一个电子的电量为子的电量为-e-e。在半导体中，导电的粒子除电子以外还有。在半导体中，导电的粒子除电子以外还有空穴空穴，当多数载流子为电子时，称为，当多数载流子为电子时，称为 n n型半导体；当多数型半导体；当多数载流子为空穴时，称为载流子为空穴时，称为p p型半导体。型半导体。5.电荷的“量子性”密立根油滴实验密立根油滴实验电荷的另一个重要特性是它的电荷的另一个重要特性是它的“
7、“量子性量子性” ”，即任何带电体，即任何带电体的电荷只能时某一基本单位的整数倍，这个基本单位就的电荷只能时某一基本单位的整数倍，这个基本单位就是一个电子所带的电荷是一个电子所带的电荷电子电荷电子电荷e e。质子的电荷与电。质子的电荷与电子电荷的绝对值相等。子电荷的绝对值相等。6.库仑定律（Coulumbs law）库仑库仑 (Coulomb, Charles (Coulomb, Charles AugustinAugustin de (1736-1806) de (1736-1806) 1点电荷的概念：实验证明：两个静止的带电体之间的实验证明：两个静止的带电体之间的 作用力，除与电量及相对位
8、置有关图作用力，除与电量及相对位置有关图1 1 -5 -5 外，还依赖于带电体的大小、形状外，还依赖于带电体的大小、形状及电荷的分布情况。一般情况下，两及电荷的分布情况。一般情况下，两 个带电体之间的相互作用表现出与多个带电体之间的相互作用表现出与多 种因素有关的复杂性。实验指出，在种因素有关的复杂性。实验指出，在 测量精度范围内。当带电体自身测量精度范围内。当带电体自身 的线度与带电体之间的距离相比很小的线度与带电体之间的距离相比很小 时，可以将这个带电体看作一个点电时，可以将这个带电体看作一个点电 荷。荷。 2点电荷的特点 点电荷是一种理想模型。一个带电体能否看作点电荷，点电荷是一种理想模
9、型。一个带电体能否看作点电荷，必须根据具体情况而定，带电体一旦被看作点电荷，就必须根据具体情况而定，带电体一旦被看作点电荷，就可以用一个几何点来标志它的位置，两个点电荷的距离可以用一个几何点来标志它的位置，两个点电荷的距离就是标志它们位置的两个几何点间就是标志它们位置的两个几何点间 距离。距离。3库仑定律库仑扭秤库仑扭秤库仑定律是描述在真空中两个点电荷库仑定律是描述在真空中两个点电荷之间相互作用力的定律。之间相互作用力的定律。库仑定律表述如下：在真空中两个静止的点电荷库仑定律表述如下：在真空中两个静止的点电荷q q1 1及及q q2 2之间的相互作用力的大小和之间的相互作用力的大小和q q1
10、1q q2 2的乘积成正比，和它们的乘积成正比，和它们之间的距离之间的距离r r的平方成反比，作用力的方向沿着它们的连的平方成反比，作用力的方向沿着它们的连线，同号电荷相斥，异号电荷相吸引。线，同号电荷相斥，异号电荷相吸引。数学表示式数学表示式： 图图1-7 1-7 22下标下标1 1、2 2对调时，对调时， = = ，所以上式还表明，所以上式还表明q q对对q q的作用力的作用力 3 K3 K的取值：（与采用的单位制有关）的取值：（与采用的单位制有关）讨论：11研究发现：无论研究发现：无论qqqq的正负如何，此式均适用。当的正负如何，此式均适用。当qqqq同同号时，沿方向即为排斥力；当号时，
11、沿方向即为排斥力；当qqqq反向时，反向时，qqqq的乘积的乘积为负，为负， 沿沿 方向方向吸引力。吸引力。电磁学中最常用的单位制是高斯制及国际制。电磁学中最常用的单位制是高斯制及国际制。国际制国际制由（由（ MKSAMKSA）单位制发展成的，是（）单位制发展成的，是（SISI）的一部分。在其中的）的一部分。在其中的四个基本量和单位：长度（四个基本量和单位：长度（MM）、质量（）、质量（KgKg）、时间（）、时间（S S）和电流（）和电流（A A）为单位。电量的单位是库仑，库仑的定义）为单位。电量的单位是库仑，库仑的定义：当由：当由1 1库仑库仑1AS1AS注意：采用注意：采用MKSAMKSA
12、制时，制时， 中各量的单位也分别用中各量的单位也分别用N N、C C、mm。比例系数。比例系数k k由实验测定，在由实验测定，在MKSIMKSI中，中，是一个基本的物理常数，叫做真空介电常数是一个基本的物理常数，叫做真空介电常数 或叫或叫做真空电容率，由实验测定，做真空电容率，由实验测定， 7.选加原理 作用于每个点电荷上的总的静电力等于其他点电荷作用于每个点电荷上的总的静电力等于其他点电荷单独存在时，作用于该点电荷的静电力的矢量和。单独存在时，作用于该点电荷的静电力的矢量和。 库仑定律讨论了两个点电荷之间的相互作用力的情况，库仑定律讨论了两个点电荷之间的相互作用力的情况，在很多点电荷时，就要
13、考虑利用迭加原理：在很多点电荷时，就要考虑利用迭加原理： 1-2 电场和电场强度 1电场近代物理学证明：电力和磁力是通过电场和磁场来作用近代物理学证明：电力和磁力是通过电场和磁场来作用的，凡是有电荷的地方，四周就存在电场。相对于观察的，凡是有电荷的地方，四周就存在电场。相对于观察者静止的电荷所激发的电场被称为静电场。者静止的电荷所激发的电场被称为静电场。2电场强度矢量1 1检验（试探）电荷：为了判断电场是否存在可以用一检验（试探）电荷：为了判断电场是否存在可以用一个点电荷个点电荷q q来做个实验。这个电荷就被叫作检验电荷。检来做个实验。这个电荷就被叫作检验电荷。检验电荷必须满足以下两个条件：验
14、电荷必须满足以下两个条件：a)a)它的线度必须足够小，以致于可以被看作点电荷，它的线度必须足够小，以致于可以被看作点电荷，以便来确定场中每点的性质。以便来确定场中每点的性质。b)b)它的电量要足够小，使得由于它的置入，不引起原它的电量要足够小，使得由于它的置入，不引起原有电荷的重新分布。有电荷的重新分布。22点电荷的电场：先讨论位于点电荷点电荷的电场：先讨论位于点电荷QQ四周的电场。四周的电场。在场点放一个静止的检验电荷在场点放一个静止的检验电荷q q。按照库仑定律。按照库仑定律,q,q受的受的场力场力 能否用来表示场点的性质呢能否用来表示场点的性质呢? ?见这样的例子：见这样的例子：2点电荷
15、的电场当：当： Q=+5 C , qQ=+5 C , q0 0=+4 C ,=+4 C , , ,Q=+5 C , qQ=+5 C , q0 0=+3 C , , =+3 C , , Q=+5 C , qQ=+5 C , q0 0=-2 C , , =-2 C , , 发现场中固定点比值发现场中固定点比值 是一个无论大小和方向都是一个无论大小和方向都与检验电荷与检验电荷q q0 0无关的矢量。它是反映了电场本身的无关的矢量。它是反映了电场本身的性质，被定义为电场强度，简称场强性质，被定义为电场强度，简称场强 。 用文字表达：用文字表达：电场中某点电场强度是这样一个矢量，其大电场中某点电场强度是这样一个矢量，其大小等于单位正电荷在该处所受的的电场力的大小，其方向小等于单位正电荷在该处所受的的电场力的大小，其方向 与该点电荷在该处受的电场力的方向一致。与该点电荷在该处受的电场力的方向一致。 电场强度的单位：在（电场强度的单位：在（SISI） 的单位的单位
