当前课程知识点:大学物理2 (电磁学、光学和量子物理) > WEEK1 > 电荷和库仑定律 > 电荷
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同学好
这一节我们讲电荷
人们很早就发现摩擦起电现象
而且发现 电荷只有两种
一种是正电荷
另一种是负电荷
我这里边有一个塑料棒和毛皮
现在互相摩擦
这是静电计
我们可以看到 它带上电了
其实塑料棒和毛皮 带上不同的电荷
习惯上
我们把塑料棒带的电荷叫负电荷
毛皮带的叫正电荷
我们有时候还可以观察到
带电物体之间有小火花
比如说
穿腈纶的衣服
脱衣或穿衣服的时候
在黑暗中 我们可以观察到一些小火花
自然界还有大火花
就是雷电
过去不知道这是什么现象
迷信的人还以为老天发怒
美国有位物理学家叫富兰克林
他想 雷电可能跟我们在地面上
塑料棒和毛皮摩擦起的电
可能是一回事
于是 他就在雷雨天气放风筝
他的细导线从云端连到手边的钥匙串
手接近钥匙串的时候
发生电火花
证明雷雨云中带的电
跟我们地面上的是一样的
也就是 天电和地电其实是一回事
这一点当然是很重要的
就好比在力学中我们知道
牛顿发现万有引力
使人们认识到
天上的力学规律跟地面上的
是一样的
月球绕地运动
其实跟地面上 扔一个石子
它们受同一个规律支配
富兰克林的实验
让人们认识到
其实天上的和地上的电学规律
也应该是一样的
那么说到雷电
我可以稍微插一句
云层中的电荷分布情况非常复杂
我们还不能完全了解
它为什么会有这样或那样的分布
不同的电荷区域之间
有的时候会发生击穿
这就是闪电
有时候这种击穿是发生在云层之间的
有时候是在云层和地面之间发生
现在还很难预测 什么时候有雷击
在地面上
晴天里 有一个比较稳定的电场
大概100伏/米 从上指向地面
所以 地面基本是带负电
上面大气带正电
由于大气并不完全绝缘
所以这个电场导致从上向下的电流
你简单估算一下
就会发现 这个电流
其实会很快让电荷中和掉
地面的电场 应该很快消失
但实际情况是
大气这个电场比较稳定
研究发现
原因是因为雷暴
雷雨和雷电会把大量的负电荷
持续带到地面
世界各地 雷暴天气
平均看是稳定的
所以雷雨和雷电
其实是维持着大气电场
还有一些小闪电
是值得一提的
比如说
有些晶体发生裂纹的时候
一个盐粒儿啊
你打击它什么的
那它有可能出现裂缝
小小的裂缝两侧就会有电荷分离
那么电荷 有的时候就会发生击穿
就会发生小小的闪电
当然这个闪电 你得通过
特殊的仪器才能观察到
那么电荷分离这件事情
是非常容易发生的
比如说我们刚开始前边讲的
摩擦起电 其实就是摩擦过程当中
那个电荷有分离了
比如说
这是著名的水滴皇冠图片
那么水滴溅起来的时候
如果是像这种皇冠状的这种水滴
溅起来的时候
这些水滴
都会带上电荷
所以我们可以利用
水滴能分离电荷的这个特点
有的时候 我们可以用滴水的方法
累积电荷 然后让水带上电
让它的电势提高
还有更有意思的是
有人做了这么一个实验
就是你知道 胶带
当然不是普通的胶带
这是美国的一种胶带
你把胶带一撕开
那里面就会发生小闪电
它这个实验装置非常简单
就是这是胶带
那么这边还有一个轮子
这个轮子转的时候
就把这个上面胶带
缠到那上面去了
结果这个胶带不是不停地撕开吗
不停地扯开的过程当中
胶带扯开的瞬间
电荷就有分离
分离的这个电荷
有的时候 就会有小的闪电发生
就是击穿
这个击穿发出来的光
非常有意思
它在这种特殊情况下
发出来的是X射线
它的光是X波段的
所以你看这个
做了一个有趣的图
就是什么呢
在这种小的发光下
把手指头放在这上面的时候
我们可以通过X射线照像
把这手指头的骨头给照出来
因为这工作比较奇特
所以在2008年
在Nature这个杂志上就发表了
电荷的另一个性质是量子化
任何电荷都是电子带电量的整数倍
这个是密立根跟他的学生
做实验发现的
这个实验
在很多普通物理实验室都可以重复
一开始 密立根自己是用水滴做的
做不出来
他的学生想到
会不会跟(挥发)性有关
于是用油滴做
很快就做出结果
后来密立根获得诺贝尔奖
他的学生获得了博士学位
那么这里边
还有一些有趣的故事
感兴趣的同学可以参看
卢德馨教授的一篇文章
这是刊载在大学物理这个杂志上的
其实电荷跟粒子的特性 密切相关
有些粒子带正电荷
比如质子
有些粒子是带负电荷
比如电子
有些粒子是电中性 不带电荷
比如中子
所有粒子带的电荷
都是电子电量大小的整数倍
现在理论上
还有带分数电荷的粒子
比如夸克
带电是电子电量大小的1/3或2/3倍
但是
单个夸克是不能独立出现的
在凝聚态中
还有分数电荷的激发态
但它不是通常意义下的粒子
电荷还有一个性质
就是电量是相对论不变量
当然有些人会认为
这是天经地义的
但是学过相对论的话
我们知道 质量是随速度变化的
当然有人会问
电荷会不会随运动发生变化呀
那么结论是否定的
我们怎么知道的呢
比如氢原子 中间是一个质子
外面有一个电子运动
质子和电子
带电量大小相等 符号相反
尽管电子运动很快
质子几乎不动
氢原子整体仍然是电中性的
这说明电量不随运动改变
也就是电量是相对论不变量
还有就是 电荷要守恒
这是一个普遍的守恒规律
就是说电荷原来有多少
就只能有多少
不能增加也不能减少
但这不是说 电荷不能创生
只是要产生出来的时候
必须正负电荷等量一起产生
也不是说电荷不能消灭
只是说要消灭的话
必须是正负电荷等量一起消灭才行
电荷总量是不能改变的
这里必须强调
电荷守恒是局域守恒
不能说这里少了一个正电荷
宇宙的另一端多了一个正电荷
这样不行
必须是在同一地点
同时满足电荷守恒
那才有意义
讲到这里有人会以为
你这些东西这比较容易
一听都懂了
但物理没这么简单
物理是不是懂了
其实它是分层次的
在某个层面你是懂了
深入另一个层面
立刻又什么都不懂了
比如说
我问为什么电荷只有两种
为什么电荷是量子化的
为什么电荷电量是相对论不变的
为什么电荷要守恒
我们不完全知道
有些我们知道一些
比如电荷守恒跟规范对称性有关
但不完全清楚
不是说我不清楚 你不清楚
而是没有人完全懂
也许有人想
学完电磁学可能就会清楚了
其实电磁学研究的
是电荷和运动电荷产生的
电场和磁场的性质
这些我们能学懂
但说到这些源的性质
电荷的性质
比如刚才我提的那几个为什么
学不学电磁学不会有太大差别
我们学电磁学
主要应该关注电磁场的性质
好 这节我们就讲到这儿
谢谢
-电荷和库仑定律
--引言
--电荷
--库仑定律
-WEEK1--电荷和库仑定律
-电场及叠加原理,电偶极子
--电场和电场强度
-WEEK1--电场及叠加原理,电偶极子
-高斯定律
--电通量
--立体角*
--高斯定律的证明*
--高斯定律和电场线
--高斯定律的应用
-WEEK1--高斯定律
-WEEK1--本周作业
-静电场环路定理、电势和叠加原理
--环路定理
--电势和叠加原理
--电势梯度
--等势面
-WEEK2--静电场环路定理、电势和叠加原理
-静电能
--电荷系静电能
-WEEK2--静电能
-导体静电平衡
--物质中电场
--导体静电平衡
-WEEK2--导体静电平衡
-WEEK2--本周作业
-导体周围电场
-WEEK3--导体周围电场
-静电屏蔽
--导体壳与静电屏蔽
-WEEK3--静电屏蔽
-电容及电容器
--电容及电容器
-WEEK3--电容及电容器
-电介质
--介质对电场的影响
-WEEK3--电介质
-极化强度矢量,极化电荷
--极化强度
--极化电荷
-WEEK3--极化强度矢量,极化电荷
-WEEK3--本周作业
-极化规律、电位移矢量
--电介质的极化规律
-WEEK4--极化规律、电位移矢量
-有介质时静电场能量
-WEEK4--有介质时静电场能量
-电流密度、稳恒电流和稳恒电场
--电流密度
-WEEK4--电流密度、稳恒电流和稳恒电场
-电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律
--电动势
--欧姆定律
--欧姆定律(续)
-WEEK4--电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律
-电流微观图像和暂态过程
--电流微观图像
-WEEK4--电流微观图像和暂态过程
-本周作业
--week4--本周作业
-洛仑兹力、磁感应强度
--电流磁效应
--磁场和磁感应强度
-WEEK5--洛仑兹力、磁感应强度
-毕-萨-拉定律、磁场叠加原理和磁场高斯定理
--毕-萨-拉定律
--磁场高斯定律
-WEEK5--毕-萨-拉定律、磁场叠加原理和磁场高斯定理
-静磁场环路定理
-WEEK5--静磁场环路定理
-安培力和霍尔效应
--霍尔效应
--安培力
-WEEK5--安培力和霍尔效应
-WEEK5--本周作业
-载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩
-WEEK6--载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩
-磁介质对磁场的影响和原子磁矩
--磁场中的磁介质
--原子的磁矩
-WEEK6--磁介质对磁场的影响和原子磁矩
-磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理
--磁介质的磁化
--磁化电流
-WEEK6--磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理
-WEEK6--本周作业
-铁磁介质和简单磁路
--磁场的界面关系
--铁磁性材料
-WEEK7--铁磁介质和简单磁路
-法拉第电磁感应定律
-WEEK7--法拉第电磁感应定律
-动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流
--动生电动势
--涡电流
-WEEK7--动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流
-自感和互感
--自感
--互感
-WEEK7--自感和互感
-WEEK7--本周作业
-暂态过程和磁场能量
--磁场的能量
-磁场和电场的相对性
-位移电流和麦克斯韦方程组
--麦克斯韦方程组
-WEEK8--位移电流和麦克斯韦方程组
-电磁波、坡因廷矢量和光压
--电磁波
--坡印廷矢量
--电磁波的动量
--光压——辐射压强
-本周作业
--week8--本周作业
-波动光学—引言
--波动光学——引言
-WEEK9--波动光学—引言
-杨氏双缝干涉、相干光
--光的干涉
--双缝干涉
-WEEK9--杨氏双缝干涉、相干光
-光源及发光性质
--光源的发光特性
--时间相干性
--空间相干性
-WEEK9--光源及发光性质
-光程、等倾和等厚干涉
--光程
--薄膜干涉(一)
--薄膜干涉(二)
-WEEK9--光程、等倾和等厚干涉
-迈克耳逊干涉仪
--迈克耳逊干涉仪
-WEEK9--本周作业
-衍射现象、单缝夫琅禾费衍射
--惠更斯原理
--单缝夫琅禾费衍射
-WEEK10--衍射现象、单缝夫琅禾费衍射
-光栅衍射
--光栅衍射
--光栅衍射(续)
-WEEK10--光栅衍射
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-WEEK10--光学仪器分辨本领
-X射线晶体衍射
--X射线的衍射
-WEEK10--X射线晶体衍射
-WEEK10--本周作业
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--光的偏振状态
--起偏和检偏
-WEEK11--光的偏振状态和偏振片
-反射和折射光偏振
-WEEK11--反射和折射光偏振
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--双折射
--双折射(续)
--波片
-WEEK11--晶体双折射、波片
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--偏振光的干涉
--人工双折射
--旋光现象
-WEEK11--偏振光干涉、人工双折射和旋光
-量子物理诞生和黑体辐射
--量子物理
--黑体辐射
-WEEK11--量子物理诞生和黑体辐射
-WEEK11--本周作业
-光电效应、光子和康普顿效应
--光电效应
--光子
--光子(续)
--光子(续2)
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-WEEK12--光电效应、光子和康普顿效应
-物质波、波函数和概率密度
--物质波
--波函数
--波函数(续)
-WEEK12--物质波、波函数和概率密度
-不确定性关系
--不确定关系
-WEEK12--不确定性关系
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--薛定谔方程
-WEEK12--薛定谔方程
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--一维无限深势阱
-WEEK12--一维无限深势阱
-WEEK12--本周作业
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--一维谐振子
--势垒穿透
--扫描隧道显微镜
-WEEK13--一维问题
-氢原子能级和角动量
--原子中的电子
--能量量子化
-WEEK13--氢原子能级和角动量
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-WEEK13--电子自旋、费米子和泡利不相容原理
-WEEK13--本周作业
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--video
--Video
--分子光谱简介
--激光
--光学谐振腔
-WEEK14--X射线、激光、分子光谱简介
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--自由电子气体模型
--量子统计
-WEEK14--固体电子气模型和量子统计
-能带模型
--能带
-能带模型--作业
-本周作业
--WEEK14--本周作业
-半导体和PN结
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--Video
-WEEK15--半导体和PN结
-原子核性质、核磁共振
--Video
--Video
--Video
-WEEK15--原子核性质、核磁共振
-放射性和衰变规律
--Video
--α衰变
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--β衰变
-WEEK15--放射性和衰变规律
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-WEEK15--结合能、核力
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--基本粒子
-WEEK15--粒子物理简介
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-期末考试--期末考试Part3