高中物理/電與磁

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物理學 > 高中物理 > 電與磁

初步認識電[編輯]

古人對電的認識[編輯]

古人認為雷電是神靈的情緒變化導致的現象。

發展[編輯]

  1. 1785年,法國庫侖利用扭秤實驗發現了電荷之間的相互作用規律——庫侖定律
  2. 1820年4月,英國奧斯特在課堂中無意間發現了電流磁效應,即電流能產生磁場。
  3. 同年,法國安培用數學方法總結了奧斯特的發現,並創立了電動力學
  4. 1831年,英國法拉第研究電流磁效應的相反情況是否成立,即磁能否產生電(電磁感應效應)。後成功證明。
  5. 1837年,英國法拉第最早引入了電場概念,並提出用電場線表示電場。
  6. 1886年,麥克斯韋總結了由法拉第所開創的電磁理論。
  7. 1913年,美國密立根通過油滴實驗精確測定了元電荷的電荷量,獲得諾貝爾獎。
  8. 1955年4月17日,英國愛因斯坦在逝世前試圖建立一個「統一場理論」,用於對宇宙中已知的幾種相互作用做出統一的解釋。

生活中的電[編輯]

用電安全常識[編輯]

電場[編輯]

電場(Electric field)是用於描述電荷之間相互作用的一種特殊物質。這種物質不是由實物粒子組成的,但具有物質的基本特性:有質量、能量、動量。電荷能在自身周圍的空間中產生電場,而電荷處在電場中則會受到電場力的作用。帶電體周圍會產生電場,變化的磁場也能產生電場。

電場力[編輯]

電場對電荷的作用力叫做電場力

靜電場[編輯]

電荷[編輯]

電荷之間的相互作用力表現為同種電荷相斥,異種電荷相吸。我們將用絲綢摩擦過的玻璃棒所帶的電荷命名為正電荷,用毛皮摩擦過的硬橡膠棒所帶的電荷命名為負電荷。構成物質的原子中包含帶電粒子(帶正電的質子和不帶電的中子組成原子核,帶負電的電子游離在核外),而原子中的正負粒子數量決定了原子的顯性。

摩擦起電[編輯]

原子核內部的質子和中子被來源於強作用的核力緊密的束縛在一起,而遠離原子核的的電子則束縛較小,容易受到外界的影響而脫離原子。其中脫離原子的表現就是從一個物體轉移到另一物體,從此失去電子的物體帶正電,得到電子的物體帶負電,這種情況被稱為摩擦起電。而金屬中距離原子核最遠的電子經常會脫離原子核束縛,從而變成金屬中的自由電子,失去電子的原子就成為了帶正電的離子。存在自由電子的金屬成為了導體,而與之對應的就是絕緣體。

靜電感應[編輯]

電荷之間的相互作用力在物體上表現為當一個帶電梯靠近導體時,由於電荷之間的相互作用,就會發生相斥或相吸的效應。這個規律與電荷之間的規律類似,被總結為「同極相斥,異極相吸」,這種現象叫做靜電感應

電荷守恆定律[編輯]

電荷既不會創生,也不會消滅,它只能從一個物體轉移到另一個物體,或者從物體的一部分轉移到另一部分:在轉移過程中,電荷的總量保持不變。這個結論叫做電荷守恆定律。

電荷量[編輯]

電荷的多少叫電荷量,它的單位是庫倫,簡稱庫,用表示。

元電荷[編輯]

目前,人類已知的最小電荷量就是電子所帶的電荷量,質子和正電子的電荷量與其相同,但符號相反。最小電荷量叫做元電荷,它的大小是。同時所有帶電體的電荷量都是的整倍數。

  • 在計算中可取:
比荷[編輯]

電子質量為,而電子電荷量又約為,則

庫倫定律[編輯]

庫倫定律(Coulomb's law),法國物理學家查爾斯·庫侖於1785年發現,因而命名的一條物理學定律。庫倫定律是電學發展史上的第一個定量規律。因此,電學的研究從定性進入定量階段,是電學史中的一塊重要的里程碑。庫倫定律闡明,在真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力與距離平方成反比,與電量乘積成正比,作用力的方向在它們的連線上,同號電荷相斥,異號電荷相吸。

表達式:
其中為庫倫力,單位為為兩電荷量,單位為為兩電荷間距,單位為為庫倫常數,單位為,數值為為真空中的介電常數,單位為為該介質的介電常數,單位為.

電場線[編輯]

電場線是電學先驅法拉第提出的描述電場的曲線。電場線是想象出來而非真實存在的。

  • 源頭:正電荷或無窮遠處
  • 盡頭:負電荷或無窮遠處
  • 方向:電場線上任一點的切線方向是該點處正電荷受力的方向
  • 強度:電場線疏密程度代表該區域的電場強度大小
  • 注意:電場線永不相交

電場強度[編輯]

電場強度是描述電場的方向與強弱的物理量,定義是單位檢驗正電荷在電場中某一點受到的力。電場強度是矢量。

  • 表達式:

其中為電場強度,單位為(或者);為檢驗電場的電荷,單位為為檢驗電荷在電場中受到的力,單位為.

  • 方向:電場中該點處正電荷的受力方向。
  • 注意:電場強度是電場自身的性質,與檢驗電荷電性的正負或帶電量的大小無關。

真空中點電荷產生的電場的電場強度[編輯]

由庫侖定律可以得到,

如題,該式僅僅適用於真空中點電荷產生電場的電場強度。

勻強電場[編輯]

電場強度處處相等(方向大小均相等)的電場稱作勻強電場。

電勢能[編輯]

電勢能是指電荷在電場中具有的勢能。

符號表達:

電場可以類比於重力場,由此可以得到電場力做功與電勢能的關係。

  • 某電荷在電場中從A點運動到B點有:

電勢[編輯]

電勢是指電荷在電場中所具有的電勢能和它的電荷量的比值。

符號表達:,單位一般為伏特()。

  • 電勢具有相對性,電場中某點的電勢與零電勢點的選取有關。一般認為大地或無限遠處為零電勢。
  • 電勢是標量。
  • 電場中等電勢的點構成等勢面,類似於等高線。

電勢差[編輯]

電勢差是指兩點間電勢的差。

符號表達:.

特別地,若勻強電場兩點連線在電場線上的投影長度為d,有.

進一步地可以得到.

  • 與重力場中的高度差相似,兩點間的電勢差是絕對的。
  • 電勢差屬於標量。

電容[編輯]

電容是指在給定電勢差下的電荷儲藏量,記為,國際單位是法拉()。

一般來說,電荷在電場中會受力而移動,當導體之間有了介質,則阻礙了電荷移動而使得電荷累積在導體上,造成電荷的累積儲存,儲存的電荷量則稱為電容。