高中物理/電與磁

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初步认识电[编辑]

古人对电的认识[编辑]

古人认为雷电是神灵的情绪变化导致的现象。

发展[编辑]

  1. 1820年4月,英国奥斯特在课堂中无意间发现了电流磁效应,即电流能产生磁场。
  2. 同年,法国安培用数学方法总结了奥斯特的发现,并创立了电动力学
  3. 1831年,英国法拉第研究电流磁效应的相反情况是否成立,即磁能否产生电(电磁感应效应)。后成功证明。
  4. 1886年,麦克斯韦总结了由法拉第所开创的电磁理论。
  5. 1955年4月17日,英国爱因斯坦在逝世前试图建立一个“统一场理论”,用于对宇宙中已知的几种相互作用做出统一的解释。

生活中的电[编辑]

用电安全常识[编辑]

电场[编辑]

电场(Electric field)是用于描述电荷之间相互作用的一种特殊物质。电荷能在自身周围的空间中产生电场,而电荷处在电场中则会受到电场力的作用。

静电场[编辑]

电荷[编辑]

电荷之间的相互作用力表现为同种电荷相斥,异种电荷相吸。我们将用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷命名为正电荷,用毛皮摩擦过的硬橡胶棒所带的电荷命名为负电荷。构成物质的原子中包含带电粒子(带正电的质子和不带电的中子组成原子核,带负电的电子游离在核外),而原子中的正负粒子数量决定了原子的显性。

摩擦起电[编辑]

原子核内部的质子和中子被来源于强作用的核力紧密的束缚在一起,而远离原子核的的电子则束缚较小,容易受到外界的影响而脱离原子。其中脱离原子的表现就是从一个物体转移到另一物体,从此失去电子的物体带正电,得到电子的物体带负电,这种情况被称为摩擦起电。而金属中距离原子核最远的电子经常会脱离原子核束缚,从而变成金属中的自由电子,失去电子的原子就成为了带正电的离子。存在自由电子的金属成为了导体,而与之对应的就是绝缘体。

静电感应[编辑]

电荷之间的相互作用力在物体上表现为当一个带电梯靠近导体时,由于电荷之间的相互作用,就会发生相斥或相吸的效应。这个规律与电荷之间的规律类似,被总结为“同极相斥,异极相吸”,这种现象叫做静电感应

电荷守恒定律[编辑]

电荷既不会创生,也不会消灭,它只能从一个物体转移到另一个物体,或者从物体的一部分转移到另一部分:在转移过程中,电荷的总量保持不变。这个结论叫做电荷守恒定律。

电荷量[编辑]

电荷的多少叫电荷量,它的单位是库伦,简称库,用С表示。

元电荷[编辑]

目前,人类已知的最小电荷量就是电子所带的电荷量,质子和正电子的电荷量与其相同,但符号相反。最小电荷量叫做元电荷,它的大小是。同时所有带电体的电荷量都是的整倍数。

  • 在计算中可取:
比荷[编辑]

电子质量为,而电子电荷量又约为,则

库伦定律[编辑]

库伦定律(Coulomb's law),法国物理学家查尔斯·库仑于1785年发现,因而命名的一条物理学定律。库伦定律是电学发展史上的第一个定量规律。因此,电学的研究从定性进入定量阶段,是电学史中的一块重要的里程碑。库伦定律阐明,在真空中两个静止点电荷之间的相互作用力与距离平方成反比,与电量乘积成正比,作用力的方向在它们的连线上,同号电荷相斥,异号电荷相吸。

表达式:
其中为库伦力,单位为为两电荷量,单位为为两电荷间距,单位为为库伦常数,单位为,数值为8.987×109.

电场线[编辑]

电场线是电学先驱法拉第提出的描述电场的曲线。电场线是想象出来而非真实存在的。

  • 源头:正电荷或无穷远处
  • 尽头:负电荷或无穷远处
  • 方向:电场线上任一点的切线方向是该点处正电荷受力的方向
  • 強度:電場線疏密程度代表該區域的電場強度大小
  • 注意:电场线永不相交

电场强度[编辑]

电场强度是描述电场的方向与强弱的物理量,定义是单位检验正电荷在电场中某一点受到的力。电场强度是矢量。

  • 表达式:

其中为电场强度,单位为(或者);为检验电场的电荷,单位为为检验电荷在电场中受到的力,单位为.

  • 方向:电场中该点处正电荷的受力方向。
  • 注意:电场强度是电场自身的性质,与检验电荷电性的正负或带电量的大小无关。

真空中点电荷产生的电场的电场强度[编辑]

由库仑定律可以得到,

如题,该式仅仅适用于真空中点电荷产生电场的电场强度。

匀强电场[编辑]

电场强度处处相等(方向大小均相等)的电场称作匀强电场。

电势能[编辑]

电势能是指电荷在电场中具有的势能。

符号表达:

电场可以类比于重力场,由此可以得到电场力做功与电势能的关系。

  • 某电荷在电场中从A点运动到B点有:

电势[编辑]

电势是指电荷在电场中所具有的电势能和它的电荷量的比值。

符号表达:φ = ,单位一般为伏特()。

  • 电势具有相对性,电场中某点的电势与零电势点的选取有关。一般认为大地或无限远处为零电势。
  • 电势是标量。
  • 电场中等电势的点构成等势面,类似于等高线。

电势差[编辑]

电势差是指两点间电势的差。

符号表达:.

特别地,若匀强电场两点连线在电场线上的投影长度为d,有.

进一步地可以得到.

  • 与重力场中的高度差相似,两点间的电势差是绝对的。
  • 电势差属于标量。

电容[编辑]

电容是指在给定电势差下的电荷储藏量,记为,国际单位是法拉()。

一般来说,电荷在电场中会受力而移动,当导体之间有了介质,则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上,造成电荷的累积储存,储存的电荷量则称为电容。