基础物理-电磁学-(一)电场

前置知识:基础物理-物质的组成

 

一、电荷、电场

自然界中有电的现象根本在于有电荷。电荷是物质的一种物理性质,不能单独存在,但是很多时候说到电荷都指的是带着电荷的物质。电荷有正电荷和负电荷两种,同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。根据电荷守恒定律,电荷不会创生,不会消灭,只能在物体间转移,转移过程中总量不变。比如摩擦起电就是不同物质原子核对电子的束缚能力不同,在摩擦中电子从一个物体转移到了另一个物体,使两个物体分别带上了正负电。

电荷的多少叫电荷量,单位为库伦(C)。质子携带着正电荷,电子携带着负电荷,它们的电荷量称为元电荷,任何物体的带电荷量都是元电荷的整数倍。

关于场的相关介绍见基础物理-物质的组成。

电场是指电荷及变化磁场周围空间里存在的场。用电场强度(简称场强)来表示电场的强弱和方向,场强只与场源电荷有关。可以用电场线来描述场强,该点的疏密程度为场强大小,该点的切线方向为场强方向。特别的,某个区域内各处场强大小相等,方向相同,该区域电场称为匀强电场;由一个或多个静止的电荷产生的电场称为静电场。

电场的基本性质是对放入其中的电荷有力的作用并能使之具有能量,本质是因为同种电荷相互排斥异种电荷相互吸引,电场力F=Eq。静电场中,两个静止点电荷(点电荷:本身的线度比相互之间的距离小得多的带电体)间的电场力称为库仑力,遵从库仑定律。

 

二、电势、电势能

势能是储存于一个系统内的、可以释放或者转化为其他形式的能量,为相互作用的物体所共有。势能包括引力势能、弹性势能、电势能、核势能等。

上文电场的基本性质中提到电场能使放入其中的电荷具有能量,该能量即电势能,单位为焦(J),是标量。单位电荷在电场中某点所具有的电势能即该点的电势。电势是描述电场的能的性质的物理量,单位为V,1V=1J/C。电势相同的各点构成的面称为等势面,各电电势相同的导体称为等势体,两点间电势的差值称为电势差。

 

三、导体、绝缘体

自由电荷:存在于物质内部,在外电场作用下能作定向运动的电荷,比如金属中的自由电子、电解质溶液中的正负离子等,质子是不能移动的。自由电荷的特点是物体内部对它们的束缚比较弱,可以在物体内部自由移动。

让电流通过称为导电,即传导电流。容易传导电流的物质称为导体,最常见的就是金属。导电的原因是物体内部有自由电荷,导体内部就有大量的自由电荷。

自由电荷比较少的物体不容易导电,称为电绝缘体,比如塑料、橡胶等。绝缘体还包括了热绝缘体,不过通常意义上的绝缘体指的就是电绝缘体。电绝缘体也称电介质(与电解质一字之差),理想的电介质内部是没有自由电荷的,实际的电介质内部总是存在少量自由电荷,它们是造成电介质漏电的原因。漏电是指由于绝缘损坏或其他原因而引起的电流泄漏,理想的电介质完全不会导电当然不会存在漏电的情况。

理想电介质内的正负电荷称为束缚电荷。有的物质的电子并不是自由电子,它们便是束缚电荷。束缚电荷在电场力作用下只能在原子或分子范围内做微小位移,不能自由移动。当然,当电场足够强的时候,束缚电荷还是能变成自由电荷自由移动,这种现象称为电介质的击穿,电介质所能承受的最大电场强度称为击穿场强。

导体有着静电感应现象,电介质有着极化现象。

一个带电的物体靠近不带电的导体时,导体内自由电荷在这外加电场的电场力作用下重新分布,异种电荷被吸引到带电体附近,而同种电荷被排斥到远离带电体的导体另一端,这种现象称为静电感应,又称感应起电。导体上因感应而产生的电荷称为感应电荷,产生的电场称为感应电场。

导体中(包括表面)没有电荷定向移动的状态叫做静电平衡状态。静电平衡状态一定是由静电感应产生的,静电感应最后也一定是静电平衡状态。静电平衡状态下的导体内部场强为零(因为感应电场和外加电场等大反向),电荷只分布在其表面(因为受外加电场作用近端会因异种电荷相互吸引远端会因同种电荷相互排斥直到到了表面无法再吸引无法再排斥),其表面为等势面,此时导体表面和内部的电势都是相等的(因为内部场强为零电场力不做功),即静电平衡状态下的导体为等势体。等势体的电荷密度分布与曲率半径成反比,这称为尖端放电现象,所以雷雨天气高楼上空出现带电云层而产生静电感应时,避雷针尖端总是聚集了大部分电荷。

静电平衡状态下导体内部场强为0,免受外部电场的影响,该现象称为静电屏蔽。

束缚电荷也能做微小位移,在外加电场的作用下发生区别于定向移动的定向转向,使电介质宏观上也能显示出电性,该现象称为极化,出现的电荷称为极化电荷。极化与静电感应的区别是极化的电介质内部场强不为0。

带电体(带着电荷的物体)具有吸引轻小物体的性质,原因在于发生了静电感应或极化现象。

 

 

 

 

参考资料:相关术语的百度百科

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