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]- 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
- 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。
- 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
- 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。
- 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。
- 1886年,麥克斯韋總結了由法拉第所開創的電磁理論。
- 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。
- 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體靠近導體時,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·庫倫於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; 及為兩電荷量,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。電場線是想像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。電場強度是向量。
- 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。
- 電勢是純量。
- 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。
- 電勢差屬於純量。
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。