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1.1.1B 电荷(2)

下一节:1.1.2A 库仑定律

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1.1.1B 电荷(2)课程教案、知识点、字幕

同学们好

下面我们接着学习电荷的基本性质

电荷的第二个基本性质是

电荷守恒

也就是说

一个系统如果没有静电荷出入其边界

则其正　负电荷的电量的

代数和将保持不变

这就是电荷守恒定律

用数学式子可以表示为

把系统内所有物体的电量代数求和

则其结果是一个常数C

近代科学实践表明

电荷守恒定律

是物理学的一条基本定律

它不仅在任何宏观过程

例如摩擦起电过程中成立

在任何微观过程中

也是普遍成立的

例如　在中子的放射性衰变过程中

一个中子衰变为

一个质子　一个电子

以及一个不带电的反中微子

我们可以把这个过程的电量方程表示为

0等于一个质子的电量ｅ

加上一个电子的电量-ｅ

加上0

再如

正负电子对的湮灭过程

一个正电子和一个负电子

相遇湮灭

转化成为两个不带电的光子

这个过程的电量方程可以写为

电子的电量-ｅ

加上正电子的电量e

是等于0

反过来

一个高能光子

在重原子核的作用下

该光子也可以转化成为

一对正负电子

在这些过程中

反应前电量的代数和

是等于反应后电量的代数和

在粒子的相互作用过程中

尽管带电粒子是可以产生或者消灭的

但是电荷守恒定律并没有遭到破坏

电荷的第三个性质是

电荷的量子性

也就是说

在自然界中

电荷的电量总是以

以某个基本单元的整数倍出现

电荷的基本单元

也就是基元电荷的概念

最早是由英国物理学家法拉第

通过电解的实验定律提出的

后来

1906年到1917年期间

美国物理学家密立根

设计了有名的油滴实验

首次测得了基元电荷的量值

这是密立根油滴实验装置的示意图

其中A和B

是两块上下平行放置的金属平板

分别和电源的正负两极相连

使其分别带上等量异号的电荷

从而在板间产生一个向下的电场

在A板上开有一个小孔

让喷雾器发出来的带负电的油滴

经过这个小孔

进入两个平板间

由于油滴带负电

所以它受到一个向上的电场力

同时还受到向下的重力

以及向上的空气浮力

通过调节电场的大小

并从显微镜中观察

当油滴达到平衡时

密立根根据油滴的平衡条件

测得了油滴所带的电量

其结果是电子电量的整数倍

后来的大量实验表明

电子是自然界中最小的带电单元

因此

人们就把电子所带电量的绝对值

称为基元电荷量

用e来表示

在一般计算中

它的取值是

1.602乘上10的负十九次方库仑

任何物体所带的电量q

就可以表示成为

这个基元电荷电量e的正负整数倍

N为整数

这就是电荷的量子性

1923年

密立根获得了

诺贝尔物理学奖

其获奖的原因之一就是

密立根油滴实验所测得的

基元电荷的量值

顺便提一下

你在大学物理的学习中会发现

许多杰出的物理学家

在他们那个年代来说

相对是比较长寿的

这里

我有必要提一下夸克模型

近代物理理论预言

组成原子核的

基本粒子质子和中子

又是由更小的夸克或者是反夸克

来组成的

目前

人们已经找到了6种夸克

并给它们起了很好听的名字

上夸克　下夸克

魅夸克　奇夸克

顶夸克　底夸克

注意

这些夸克所带的电量

比电子的电量要小

是电子电量的1/3或者是2/3

但是

由于目前还没有找到单独存在的夸克

也就是没有发现自由的夸克

所以

人们仍然把电子电量的绝对值

作为基元电荷量

即使今后

人们发现了自由夸克

需要指出的是

电荷的量子性仍然是成立的

只不过改变的是

基元电荷的量值

让其取得比电子的电量更小罢了

下面

我们介绍电磁学中

常用的两个理想模型

第一个理想模型是

在我们讨论电磁学的规律时

一般情况下可以认为

电荷是连续地分布在

宏观的带电体上的

而忽略由于电荷的量子性

带来的微观起伏

这是因为

宏观带电体所带的电量

比起电子的电量来说

要大的多

因此

尽管　电子质子等这些微观的带电粒子

是离散的分布在宏观的带电体上的

但是

由于电子的电量的绝对值ｅ

即基元电荷量

相对来说是很小的

所以量子性显现不出来

这样我们就可以认为

电荷是连续的分布在带电体上的

这犹如我们看到的水是连续的

尽管我们知道

水是由水分子组成的

水分子之间是有间隙的

这种对宏观带电体所带的电荷

的连续化处理

非常有利于我们后边

利用微积分的方法

来计算宏观带电体的电场

第二个模型是点电荷

也就是说

把一个物体看作是

没有大小和形状而只带有电量的物体

究竟在什么样的情况下

可以利用点电荷这个理想模型呢

实际上

只要物体本身的限度

远远小于我们所讨论问题中

所涉及的距离

物体的大小和形状

对我们所讨论的问题没有影响

或者影响可以忽略时

我们就可以把这个物体视为

没有大小和形状的带电的点

即点电荷

注意

点电荷是一个相对概念

究竟在什么样的情况下

我们可以认为

带电体本身的限度是远远小于

问题中所涉及的距离

这要视我们所讨论的问题的精度来定

例如

当我们讨论带电棒　带电板

这要宏观意义上的带电物体时

电子　质子这样的微观粒子

显然就可以当做点电荷来处理

在力学中

我们通常把一个宏观物体

视为质点的集合

同样

在电学中

我们可以把一个宏观带电体视为

点电荷的集合

电荷的第四个基本性质是

相对论不变性

也就是说

电荷所带的电量

是和其运动状态没有关系的

在任何参考系中观察

不管是

相对电荷静止的观察者

还是驾马飞奔的观察者来说

同一电荷所带的电量

是相同的

例如

在回旋加速器实验中

我们就是认为电子的电量

在加速过程中　保持不变

的前提下

算出来电子的运动的速度

的理论结果和实验结果是相符的

另外一个比较直接的例证是

氢分子和氦原子

都是精确的电中性

二者都含有两个质子

和两个核外电子

它们的电子的运动状态相差不大

但是

氦原子中的两个质子

比氢分子中的两个质子

的运动的能量要大得多

要大出百万倍的量级

但是

两者中的质子

所带的电量

并没有由于运动状态相差很大而不同

也就是所有的物体所带的电量

是和运动状态没有关系的

我们把上面

关于电荷这一知识点的学习小结一下

我们介绍了电荷的四种基本性质

包括电荷的种类

有两种　正电荷和负电荷

同种电荷相互排斥

异种电荷相互吸引

电荷守恒定律

是物理学中的一条基本定律

电荷还具有量子性

和相对论不变性

大学物理——电磁学课程列表：

绪论

-大学物理绪论

--大学物理绪论

-电磁学引言

--电磁学引言

第一章静电场

-1.1 库仑定律

--1.1.1A 电荷(1)

--1.1.1B 电荷(2)

--1.1.2A 库仑定律

--1.1.2B 库仑定律例题

--1.1.2C 库仑定律小议

--1.1.3 电力叠加原理

-1.1 库仑定律

-1.2 电场电场强度

--1.2.2 电场强度

-1.2 电场电场强度——小测验

-1.3 电场强度的计算(1)

--1.3.1 场强叠加原理与点电荷系的场强

--1.3.2 电偶极子场强

--1.3.3 连续带电体系的场强

--1.3.4 细棒场强

--1.3.5 走近闪电

--1.3.6 平板场强

-1.3 电场强度的计算(1)——小测验

-第一章静电场--WEEK1 作业

-1.3 电场强度的计算(2)

--1.3.7 圆环场强

--1.3.8 圆盘场强

-1.3 电场强度的计算(2)——小测验

-1.4 电场线电通量

--1.4.1 电场线

--1.4.2 电通量

-1.4 电场线电通量——小测验

-1.5 静电场的高斯定理

--1.5.1 高斯定理

--1.5.2 高斯定理思考题

-1.5 静电场的高斯定理——小测验

-1.6 利用高斯定理求静电场的分布

--1.6.1 高斯定理应用1

--1.6.2 高斯定理应用2

--1.6.3 高斯定理应用3

--1.6.4 高斯定理应用4

--1.6.5 静电场强求解举例及小结

-1.6 利用高斯定理求静电场的分布——小测验

-第一章静电场--WEEK2 作业

-1.7 静电场的环路定理电势

--1.7.1 静电场的环路定理

--1.7.2 电势能

--1.7.4 电势差

-1.7 静电场的环路定理电势——小测验

-1.8 场强积分法求电势

--1.8.1 点电荷的电势

--1.8.2 均匀带电球面的电势

--1.8.3 无限长均匀带电直线的电势

--1.8.4 静电除尘

--1.8.5 两道小例题及本讲小结

-1.8 场强积分法求电势——小测验

-1.9 电势叠加原理及电势的计算

--1.9.1 电势叠加原理

--1.9.2 点电荷系的电势例题

--1.9.3 电偶极子的电势

--1.9.4 均匀带电细杆延长线上的电势

--1.9.5 圆环轴线上的电势

--1.9.6 圆盘轴线上的电势

--1.9.7 两个同心均匀带电球面的电势

--1.9.8 均匀带电球层的电势

--1.9.9 电势计算小结

-1.9 电势叠加原理及电势的计算——小测验

-1.10 等势面电势梯度

--1.10.1 等势面

--1.10.2 电势梯度

--1.10.3 由电势梯度求场强例题

-1.10 等势面电势梯度——小测验

-1.11 静电场中的电偶极子

--1.11 静电场中的电偶极子

-1.11 静电场中的电偶极子——小测验

-第一章静电场-- WEEK3 作业

第二章静电场中的导体和电介质

-2.1 导体的静电平衡条件

--2.1.1 物质导电性能分类

--2.1.2 导体的静电平衡条件

-2.1 导体的静电平衡条件——小测验

-2.2 静电平衡时导体上电荷的分布

--2.2.1 导体电荷分布1

--2.2.2 库仑定律的精确验证

--2.2.3 导体电荷分布2

--2.2.4 导体电荷分布3

--2.2.5 避雷针趣事

--2.2.6 范德格拉夫起电机

--2.2.7 场离子显微镜

-2.2 静电平衡时导体上电荷的分布——小测验

-2.3 静电屏蔽

--2.3.1 静电屏蔽

--2.3.2 静电屏蔽的应用

-2.3 静电屏蔽——小测验

-2.4 有导体存在时静电场量的计算

--2.4.1 有导体时场量计算原则与例题1

--2.4.2 导体例题2

--2.4.3 导体例题3

--2.4.4 导体例题4

-2.4 有导体存在时静电场量的计算——小测验

-第二章静电场中的导体和电介质--WEEK4 作业

-2.5 静电场中的电介质

--2.5.1 电介质对电场的影响

--2.5.2 电介质的极化

--2.5.3 电极化强度

-2.5 静电场中的电介质——小测验

-2.6 有电介质时的高斯定理

--2.6.1 电位移和有电介质时的高斯定理

--2.6.2 D的高斯定理的应用例1

--2.6.3 D的高斯定理的应用例2

--2.6.4 静电场的边界条件

-2.6 有电介质时的高斯定理——小测验

-2.7 电容电容器

--2.7.1 孤立导体的电容

--2.7.2 电容器及其电容

--2.7.3 电容器家族简介

--2.7.4 电容器的连接

--2.7.5 电容的计算及平板电容器的电容

--2.7.6 电容器的应用举例

--2.7.7 柱形电容器的电容

--2.7.8 神经元的电容

--2.7.9 球形电容器的电容

--2.7.10 分布电容

-2.7 电容电容器——小测验

-2.8 静电场的能量

--2.8.1 电容器的能量

--2.8.2 电容器的能量例题

--2.8.3 巧克力碎屑的秘密Ⅲ

--2.8.4 静电场的能量能量密度

--2.8.5 静电场的能量例题

--2.8.6 核裂变能的估算

-2.8 静电场的能量——小测验

-第二章静电场中的导体和电介质--WEEK5 作业

第三章稳恒磁场

-3.1 稳恒电流

--3.1.1 磁学概述

--3.1.2电流电流密度

--3.1.3欧姆定律的微分形式

--3.1.4电源和电动势

--3.1.5 巧克力碎屑的秘密Ⅳ

--3.1.6 案例研究

-3.1 稳恒电流——小测验

-3.2 磁场磁感应强度

--3.2.1磁的基本现象

--3.2.2磁场和磁感应强度

--3.2.3磁感线

-3.3 毕奥—萨伐尔定律

--3.3.1毕奥--萨伐尔定律的内容

--3.3.2毕奥--萨伐尔定律的应用一

--3.3.3毕奥--萨伐尔定律的应用二

--3.3.4毕奥--萨伐尔定律的应用三

--3.3.5毕奥--萨伐尔定律的应用四

--3.3.6运动电荷的磁场

-3.3 毕奥—萨伐尔定律——小测验

-第三章稳恒磁场--WEEK6 作业

-3.4 磁场的高斯定理和安培环路定理

--3.4.1磁场的高斯定理

--3.4.2安培环路定理

--3.4.3第四节应用一

--3.4.4第四节应用二

--3.4.5第四节应用三

--3.4.6第四节应用四

--3.4.7第四节应用五

-3.4 磁场的高斯定理和安培环路定理——小测验

-3.5 磁场对载流导线的作用

--3.5.1安培力

--3.5.2安培力例一

--3.5.3安培力例二

--3.5.4安培力例三

--3.5.5电磁炮

--3.5.7磁力矩

--3.5.8磁力矩例题

-3.5 磁场对载流导线的作用——小测验

-3.6 磁场对运动电荷的作用

--3.6.1洛伦兹力

--3.6.2带电粒子在磁场中的运动

--3.6.3带电粒子在磁场中的运动（续）

--3.6.4霍尔效应

-3.6 磁场对运动电荷的作用——小测验

-第三章稳恒磁场--WEEK7 作业

-3.7 磁场中的磁介质

--3.7.1磁介质分类

--3.7.2磁介质的磁化

--3.7.3磁化强度磁化电流

--3.7.4磁化强度磁化电流（续）

--3.7.5 H的环路定理

--3.7.6 第七节例一

--3.7.7 第七节例二

--3.7.8 铁磁质

第四章电磁感应麦克斯韦方程组

-4.1 法拉第电磁感应定律

--4.1.1 法拉第电磁感应定律

--4.1.2 法拉第电磁感应定律例题

--4.1.3 楞次定律

-4.1 法拉第电磁感应定律——小测验

-4.2 动生电动势

--4.2.1 动生电动势定义

--4.2.2 动生电动势例题（一）

--4.2.3 动生电动势例题（二）

-4.2 动生电动势——小测验

-第四章电磁感应麦克斯韦方程组--WEEK8 作业

-4.3 感生电动势及感生电场

--4.3.1 感生电动势及感生电场

--4.3.2 感生电场的计算

--4.3.3 电子感应加速器

-4.3 感生电动势及感生电场——小测验

-4.4 感生电动势例题

--4.4.1 感生电动势例题（一）

--4.4.2 感生电动势例题（二）

-4.4 感生电动势例题——小测验

-4.5 涡电流及电磁阻尼

--4.5.1 法拉第电磁感应定律再讨论

--4.5.2 法拉第的主要成就

--4.5.3 涡电流及电磁阻力

-4.5 涡电流及电磁阻尼——小测验

-4.6 互感与自感

--4.6.1 自感、自感电动势、自感系数

--4.6.2 自感例题

--4.6.3 互感、互感电动势、互感系数及例题

-4.6 互感与自感——小测验

-第四章电磁感应麦克斯韦方程组--WEEK9 作业

-4.7 磁场的能量和能量密度

--4.7.1 磁场能量

--4.7.2 位移电流

-4.7 磁场的能量和能量密度——小测验

-4.8 麦克斯韦方程组电磁波

--4.8.1 普遍意义的安培环路定理

--4.8.2 电磁波

-4.8 麦克斯韦方程组电磁波——小测验

-第四章电磁感应麦克斯韦方程组--WEEK10 作业

1.1.1B 电荷(2)笔记与讨论

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