第一章 真空静电场

K 1 9 10 9 N.m2 C 2
4 0
0
1
4K
8.851012
F m
• 根据库仑作用力可用迭加原理求得：
多个点电荷q1,q2……qk作用在点电荷q上库仑作用力为：
F
1
4
0
K n1
qn rn2
rn
静电场
• 什么是静电场？
1. 对观察者来说是静止的；
2. 电量不随时间变化的电荷引起的电场。
电位
比较后：
E(
x
y
z)
(
dx
dy
dz)
grad
(x
y
z)
(r)
x y z
E(x
y
z)
grad (
x
y
z)
(r )
任一点电场强度等于该点电位梯度的负值，
即电场强度在数值上等于电位随距离变化的 最大减少率，其方向沿电位最大减少率的方向。
电位
➢ 真空中的高斯定理（Gauss定理）及微分形式：
P
Q
参考点电位为： Q E dl 0
Q
对于有限大小的电荷体系，常取无限远处作为参考点，则P点电位为：
P E dl
Q
电位
在实际工程中，选大地作为参考点，故电场中某点电位等于单位 正电荷自该点移至无限远处或接地导体上时电场力所作的功。
✓位于原点的点电荷q在场点 r处的电位
r q
电位
➢ 电势差——电场强度的线积分：
1. P点到Q点的电位差为：将试验电荷qt沿某一路线从P 点移到Q点电场力所作的功Wpq与qt比值
WPQ
Q E dl
qt
P
Q
U PQ E dl

（3）上面给出的库仑定律只适用于惯性体系中静止的 点电荷，存在相对运动时库仑定律要作小小的修改。 (4) 库仑定律是电学中的基本定律是整个电学的基础。 关于库仑定律的发现，请同学们参考有关书籍，阅后必然 受益不浅，很有启发。 (5) 平方反比律与光子静止质量是否为零有着密切关 系。
提问
通过回顾库仑定律的发现，你有什么体会？
k=
1 4πε 0
= 8.99 × 10 9 Nm 2 C − 2 ≈ 9.0 × 10 9 Nm 2 / C 2
在计算过程中，一般都将k当作一个常数处理，不是 这种形式也应凑成这种形式。 1 9 2 2
k= 4πε 0 ≈ 9.0 × 10 Nm / C
在CGSE制中, k=1。CGSE制仍然有人用，因为其公 式非常简洁。
下面看一个核反应的例子，β衰变的一般反应式：
A z
XN= Y
A z +1 N −1
+ e +ν e
−
其中 A：质量； Z：原子序数即电荷数； N：中子数； ν e ： 为反电子中微子。
根据物质的电结构，我们可以更好地理解和掌握电 荷守恒定律。众所周知：
⎧ ⎧电子 ⎪ ⎪ ⎪原子⎨ 物质⎨ ⎪原子核 ⎪ ⎩ ⎪分子 ⎩ (带负电) ⎧质子 (带正电) ⎨ ⎩中子 (不带电)
(2) 库仑定律与万有引力定律
GM 1 M 2 0 F引 = − r12 2 r12
G：万有引力常数，数值 为6.67 ×10-11牛顿米2/千克2 或6.67×10-8达因厘米2/克2 “-”表示吸引力，在 F引 的 作用下，趋向于使r12减小 （因为M1和M2恒大于零）。
两者的相同之处在于：都是长程力，具有平方反比 的特征，且都满足牛顿第三定律； 不同之处： (a) 电荷有正有负，所以存在引力和斥力， 而质量恒 为正，只有引力而没有斥力。 (b) 静电力可以屏蔽，而万有引力却无法屏蔽。 (c) 静电力远大于引力。以电子和质子间的库仑力和 万有引力为例，可以得到F电/F引～2.3×1039，因此通常在 讨论原子、固体、液体的结构及化学作用时，只需考虑库 仑力，而忽略引力。

2
i n 或 E
4 0 ri
qi
ri
习题：在点电荷系的电场中，任一点电 场强度等于点电荷系中每一电荷在该点产生的 电强强度矢量和。
若带电体可看作是电荷连续分布的，如图示
把带电体看作是由许多个电荷元组成，然后利 用场强叠加原理。
dq
Q
dV
r
dE
P
三种带电形式：
电荷元： d q 线电荷 面电荷
0 0 0
若 r >> l ql 1 E= 4 ( r 2+ l 2 4 ) 3 2 ε π
0
~ 4ε r3 = 4ε r3 π π
0 0
ql
pe
pe E=4 ε π r3
0
电偶极子 E
1 4
0
r
3

p 3 r pr

电偶极子在电场中所受的力
M = f l sin θ l = q E l sinθ = pe E sinθ
0
2ε a 4ε a π π 无限长均匀带电 λ E = 2 直线的场强： πε a
0 0 0
Ex =0 Ey = E = 2 ×
8
λ
=
λ
习题： 一根很长的绝缘棒，均匀带电（如图）， 单位长度上的电荷量为l 。试求距棒的一端垂直 距离为d 的P点处的电场强度。 + + + + + + + + + +
F
F
pe

答案：（Ｂ）
例： 一电偶极子原来与一均匀电场平行，将它转到与 电场反平行时，外力作功0.1 J。问当此电偶极子与场 强成45°时，作用于它的力偶矩有多大？ 解：

03
电势与电势差
电势的概念
总结词
电势是描述电场中某点电荷所具有的势能，其值与零电势点的选 择有关。
详细描述
电势是描述电场中某点电荷所具有的势能，通常用符号"φ"表示。它 是一个标量，其值与零电势点的选择有关。在静电场中，零电势点 是任意选择的，通常选择大地或无穷远处作为零电势点。
电势的计算方法
计算电场能量
利用高斯定理可以计算电场的能量密度和总能量。
静电场的散度与源电荷的关系
02
01
03
静电场的散度等于该点源电荷的密度。
数学表达式：divE = ρ/ε0
其中，divE是电场强度的散度，ρ是电荷的密度，ε0是 真空中的电容率。
05
静电场的环路定理与电场线的引入
静电场的环路定理
总结词
静电场的环路定理描述了电场与磁场之 间的关系，是电磁学中的基本定理之一 。
大学物理12真空中的静电场
目
CONTENCT
录
• 引言 • 电场与电场强度 • 电势与电势差 • 高斯定理与静电场的散度 • 静电场的环路定理与电场线的引入 • 静电场的边界条件与导体表面的电
场线分布 • 静电场的能量与力
01
引言
主题简介
静电场是静止电荷产生的电场，是电 磁学的重要概念之一。
在真空环境中，静电场不受其他电磁 场的影响，因此具有独特的性质和规 律。
指导电路设计
在电路设计中，通过合理 布置导线和元件的位置， 利用电场线的分布来优化 电路性能。
07
静电场的能量与力
静电场的能量分布
静电场的能量分布由电场强度和电势的乘积积分得 到，表示电场中各点的能量密度。
在真空中的静电场，能量分布与电荷分布有关，电 荷密度越大，能量密度越高。