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1、電力與電場電力與電場(Electric Forces and Fields) 1電荷的形式 電荷的形式有兩種；一種稱為正電，另一電荷的形式有兩種；一種稱為正電，另一種稱為負電。一系統中的淨電荷是其組成種稱為負電。一系統中的淨電荷是其組成粒子的電荷代數和粒子的電荷代數和 注意要包含正、負符注意要包含正、負符號。號。一個電中性的物體有相同數量的正負一個電中性的物體有相同數量的正負電荷，因此淨電荷為零。電荷，因此淨電荷為零。質子的電荷為正，電子的電荷為負質子的電荷為正，電子的電荷為負,一個中一個中性原子有相同數量的質子和電子，達到正性原子有相同數量的質子和電子，達到正負電荷的平衡。如果電子和質子的數
2、量不負電荷的平衡。如果電子和質子的數量不相等，那麼此原子就稱為離子。相等，那麼此原子就稱為離子。 2基本電荷 質子和電子有相同的電荷量，此電荷量稱質子和電子有相同的電荷量，此電荷量稱為基本電荷為基本電荷(符號符號e)，此乃電荷之最小單位，此乃電荷之最小單位。 同性電相斥同性電相斥， 異性電相吸異性電相吸。3質子、電子、中子之質量及電荷 4當你走過地毯、伸手與朋友握手而給朋友一個無意的電擊當你走過地毯、伸手與朋友握手而給朋友一個無意的電擊時，轉移的電荷量一般大約為時，轉移的電荷量一般大約為1 nC。(a) 如果此電荷的轉如果此電荷的轉移移是只靠電子，那麼有多少個電子被轉移呢？是只靠電子，那麼有多
3、少個電子被轉移呢？(b) 如果你如果你的身體有的淨電量，計算過剩電子的百分比？的身體有的淨電量，計算過剩電子的百分比？( 提示：電提示：電子的質量大約是核子質量的子的質量大約是核子質量的1/2000，所以身體大多數的重，所以身體大多數的重量是核子們的重量。存在於身體中多數的原子量是核子們的重量。存在於身體中多數的原子 ( 例如碳、例如碳、氮、氧氮、氧 ) 大約有相同的質子與中子的數目。一個重要的例大約有相同的質子與中子的數目。一個重要的例外是氫，在它最普通的形式中是有一個質子而沒有中子。外是氫，在它最普通的形式中是有一個質子而沒有中子。由於問題只需一個數量級的計算，不需要很大的精確度；由於問題
4、只需一個數量級的計算，不需要很大的精確度；我們可以假設我們可以假設1/2的核子是質子。的核子是質子。 一個無意的電擊一個無意的電擊5解答：(a) 被轉移的電子數目等於被轉移的電量除以每個電子的電量： 注意轉移的電量大小是注意轉移的電量大小是1 nC，但由於它是由電子來轉移的，但由於它是由電子來轉移的，所以轉移的電量是負的。所以轉移的電量是負的。 (b) 我我們們身身體體質質量量大大約約70 kg來來估估計計。身身體體大大多多數數的的重重量量是是核子們的重量，所以核子們的重量，所以6假設約有假設約有1/2的核子是質子，的核子是質子， 在一個電中性物體中，電子的數目等於質子的數目。由於在一個電中性
5、物體中，電子的數目等於質子的數目。由於淨電荷為淨電荷為 ，物體有，物體有 個額外的電子。則過剩電個額外的電子。則過剩電子的百分比為子的百分比為 討論：由這個例子可知，帶電的巨大物體只有微小的正電討論：由這個例子可知，帶電的巨大物體只有微小的正電荷與負電荷數量之間的差異。基於這個理由，巨大物體之荷與負電荷數量之間的差異。基於這個理由，巨大物體之間的電力常被忽略。間的電力常被忽略。 7極化 一個電中性的物體內部有正電荷與一個電中性的物體內部有正電荷與負電荷的區域，兩者彼此互相分開，負電荷的區域，兩者彼此互相分開，這樣的物體是這樣的物體是“被極化的被極化的”。一個被極化的物體，即使它的淨電一個被極化
6、的物體，即使它的淨電荷為零還是可以感受到電力。荷為零還是可以感受到電力。 8(a) 帶負電的橡膠棒吸引一些小紙片；(b) 帶正電的玻璃棒吸引一些小紙片；(c) 一小紙片中許多極化分子的放大圖。9導體與絕緣體 一般的物質由包含電子與原子核的原子所一般的物質由包含電子與原子核的原子所組成。電子被原子核束縛的程度差異極大。組成。電子被原子核束縛的程度差異極大。電荷能容易地移動的物質稱為電導體，而電荷能容易地移動的物質稱為電導體，而電荷較不易於移動的物質則稱為絕緣體。電荷較不易於移動的物質則稱為絕緣體。 一般而言一般而言,金屬為良導體金屬為良導體,電子在金屬中自電子在金屬中自由地漫遊由地漫遊;而大部份
7、的非金屬則非導體而大部份的非金屬則非導體。純。純水是一個絕緣體水是一個絕緣體, 但一般的水含有雜質但一般的水含有雜質,因因此可視為導體此可視為導體 。導電性介於導體與絕緣體之間的稱為半導導電性介於導體與絕緣體之間的稱為半導體。體。 10摩擦帶電 將兩個絕緣體互相摩擦可以將電荷分離。將兩個絕緣體互相摩擦可以將電荷分離。( 其中一個帶正電其中一個帶正電,另一個帶負電另一個帶負電乾燥空氣中最容易產生帶電。當溼度高的乾燥空氣中最容易產生帶電。當溼度高的時候，物體的表面上會凝結一水分薄膜；時候，物體的表面上會凝結一水分薄膜；此時電荷更容易漏失掉，所以建立電荷是此時電荷更容易漏失掉，所以建立電荷是困難的。
8、困難的。 導體因為電荷可以自由流動導體因為電荷可以自由流動,並不容易以摩並不容易以摩擦的方式帶電。導體要帶電可以用另一個擦的方式帶電。導體要帶電可以用另一個帶電體與其接觸帶電體與其接觸,多餘的電荷便會流入導體多餘的電荷便會流入導體。11導導體體充充電電：(a)在在絲絲綢綢摩摩擦擦玻玻璃璃棒棒後後，玻玻璃璃棒棒帶帶淨淨的的正正電電荷荷且且絲絲綢綢帶帶淨淨的的負負電電荷荷；(b)將將玻玻璃璃棒棒觸觸碰碰一一金金屬屬球球。帶帶正正電電的的玻玻璃璃棒棒會會從從金金屬屬吸吸引引一一些些自自由由電電子子到到玻玻璃璃棒棒上上；(c)玻玻璃璃棒棒被被移移開開。金金屬屬球球的的電電子子比比質質子子少少，所所以以
9、它它有有淨淨的的正正電電荷荷。即即使使實實際際上上是是負負電電荷荷被被轉轉移移(電電子子)，通通常常我我們們說說“正正電電荷荷被被轉轉移移到到金金屬屬上上”，因為此淨效應是相同的。因為此淨效應是相同的。12接地 地球是一個導體。地球是足夠大的，對地球是一個導體。地球是足夠大的，對許多情況而言可以將它視為一個無限制許多情況而言可以將它視為一個無限制的電荷庫。的電荷庫。 將一個導體接地指的是在導體與地面將一個導體接地指的是在導體與地面(或或另一電荷庫另一電荷庫)之間提供一條傳導路徑。一之間提供一條傳導路徑。一個帶電的導體接地後會放電個帶電的導體接地後會放電。13感應帶電 導體也可以不須經帶電體直接
10、接觸而帶電導體也可以不須經帶電體直接接觸而帶電,但其但其必須接地必須接地。當一帶電體接近導體時當一帶電體接近導體時,導體上部份導體上部份的電荷會因為接地而流失的電荷會因為接地而流失。若在帶電體移開時若在帶電體移開時將接地線拆除將接地線拆除,導體上將會帶淨電荷導體上將會帶淨電荷。 (當然當然,若若在帶電體移開時導體仍接地在帶電體移開時導體仍接地,此時電荷將經接地此時電荷將經接地線回流回導體線回流回導體) 。 14感應帶電：(a) 用絲綢摩擦玻璃棒使其帶電；(b) 帶正電的玻璃棒移近一個金屬球，但是不碰觸它。當球內的自由電子被吸引朝向玻璃棒時，此球是被極化的；(c) 當此球接地時，電子被球上的正電
11、荷吸引而從地上移動到球上；(d) 拆掉接地線且不移走玻璃棒；(e) 此時移走玻璃棒。電荷因為同性電相斥而分布在整個金屬表面上。此球因為過剩的電子而帶負的淨電荷。15影印機 影印機的操作是建立在電荷的分離及不同電荷之影印機的操作是建立在電荷的分離及不同電荷之間的吸引的基礎上。其工作的原理乃是利用一種間的吸引的基礎上。其工作的原理乃是利用一種稱為稱為光導體光導體的材料的材料 一個光敏半導體。當沒有光一個光敏半導體。當沒有光照在硒上時，它是一個十足的絕緣體；但是當光照在硒上時，它是一個十足的絕緣體；但是當光照到它時，它變成一個良導體。照到它時，它變成一個良導體。滾筒上有一種稱為調色劑的黑色粉末接觸。
12、調色滾筒上有一種稱為調色劑的黑色粉末接觸。調色劑粒子已帶有負電，因此它們會被吸引到滾筒上劑粒子已帶有負電，因此它們會被吸引到滾筒上帶正電的區域。調色劑黏在滾筒上有正電的地方，帶正電的區域。調色劑黏在滾筒上有正電的地方，沒有帶電的地方調色劑是不會黏附。沒有帶電的地方調色劑是不會黏附。紙張會從滾紙張會從滾筒上吸走那些帶負電的調色劑粒子，在紙上形成筒上吸走那些帶負電的調色劑粒子，在紙上形成原稿的影像。原稿的影像。 16影印機的操作是利用帶負電的調色劑粒子被吸引到帶正電滾輪上的區域。1718電場 在任何點的電場在任何點的電場 定義為在那個點上每定義為在那個點上每單位電荷的電力單位電荷的電力。 因為力為
13、向量因為力為向量, 因此電場亦為一向量因此電場亦為一向量。如果如果q是正的，電力的方向與電場的方是正的，電力的方向與電場的方向相同；如果向相同；如果q是負的，這兩個向量有是負的，這兩個向量有相反的方向。相反的方向。 19電場線 電場線來描述電場電場線來描述電場的分佈的分佈:任何點任何點電場線電場線之切線方向表電場之切線方向表電場的方向的方向,而而電場線較密電場線較密之處表示該處電場較強之處表示該處電場較強.電場線不會相交電場線不會相交: 否則電場線交點處電力否則電場線交點處電力之方向就不唯一之方向就不唯一 . 電場線於電場線於正電荷出發終於負電荷正電荷出發終於負電荷,非一封非一封閉曲線閉曲線.
14、20圖16.17場線規則圖解。(a) 在點及點的電場方向；(b) 在點的電場大小大於在點的電場大小；(c) 如果從一點電荷劃出12條線，則必須有8條線結束在的點電荷上；(d) 如果場線相交，則無法決定在相交處電場的方向。21點電荷的電場線 點電荷的電場線是放射狀的點電荷的電場線是放射狀的 (遠離一正電荷或朝向一遠離一正電荷或朝向一負電荷負電荷 )。靠近點電荷處場線是較為密集，此時電場。靠近點電荷處場線是較為密集，此時電場是強的；遠離電荷處場線會散開，顯示電場強度隨著是強的；遠離電荷處場線會散開，顯示電場強度隨著距離變大而減少。距離變大而減少。 22電偶極所產生的電場 一電偶極乃兩帶相同電量一電
15、偶極乃兩帶相同電量q 但電性相反之電荷相距但電性相反之電荷相距d所所形成形成; 其電場線如圖其電場線如圖16-19所示所示 .23電位置 某些動物和魚類進化出產生以及偵測電場的器官。這些某些動物和魚類進化出產生以及偵測電場的器官。這些動物可以利用這些感覺器官偵測到電場的變化動物可以利用這些感覺器官偵測到電場的變化,以偵測到以偵測到獵物或敵人。獵物或敵人。尼尼羅羅河河魔魔鬼鬼所所產產生生的的電電場場。此此電電場場幾幾乎乎是是一一個個電電偶偶極極的的電電場場。此此魚魚的的頭頭部部是是帶帶正正電電且且尾尾部部是是帶帶負負電。電。24在在電電視視機機、電電腦腦螢螢幕幕、示示波波器器和和x光光管管中中，陰陰極極射射線線管管 (CRT) 是是用用來來加加束束電電子子。從從熱熱燈燈絲絲跑跑出出的的電電子子通通過過陰陰極極中中的的小小洞洞；然然後後在在陰陰極極與與陽陽極極之之間間的的利利用一個電場來加速用一個電場來加速 。25靜電集塵器 集塵器腔體內部是一套帶電相反的金屬板。這些帶電相反的金屬板，裝有作為放電點的針狀金屬絲凸出物。在這些點的電場強到足以將空氣分子離子化。這些微粒物藉由與離子接觸而帶正電。金屬板間的電場將這些微粒物吸引到帶負電的收集板。 26靜電集塵器 27
