第 章 电场直流电路 电视机中的电路板 我们生活在电气化时代 清展醒来,只需一两分钟,徽波炉就会为我们做好热腾腾的早饭;晚上回家,洗衣机会自 动把脏衣服洗得千千净净;在酷热难酎的盛夏,空调给我们送来阵阵清凉;在久旱的农田,抽 水机浇灌着千渴的禾苗;电视机前,我们观看新闻、足球比赛,对国内外大事发表意晃… 微波炉、洗衣机、抽水机、电视机……它们的工作原理虽然不同,但是最基本的电磁学規 律是一样的。如果看看各种电器的电路板,你就会发现它们是由许许多多电阻、电容、集成电 路等元器件組成的 要想知道这些电器以及飊成它们的元器件是怎样工作的,就要对电磁学的基本知识有所了 解。电场和直流电路的规律是电磁学的重要基础
第1节电场 电荷及其相互作用在空气干燥的时候,用塑料梳子梳头,头发会随着梳子飘起来;夜 晚脱毛衣,有时会看到闪光,这些现象都是摩擦起电造成的。 摩擦起电是指用摩擦的方法使物体带上电荷( electric charge)的过程。这些电荷静止在 物体上,这种现象就叫做静电现象。在自然界只存在着两种电荷:正电荷和负电荷。用丝绸摩 擦过的玻璃棒上所带的电荷是正电荷,用毛皮摩擦过的橡胶棒上所带的电荷是负电荷。 摩擦为什么能使物体带电呢?这是因为物体都是由原子组成的,原子由带负电的电子和带 正电的原子核组成。通常,原子核带的正电荷与核外所有电子带的负电荷在数量上相等,原子 呈电中性,由原子组成的物体看起来不带电。但是不同物质的原子核束缚电子的本领不同,两 种不同的物体相互摩擦时,一个物体的一部分电子会转移到另一个物体上,这样,得到电子的 物体因获得多余的电子而带负电荷,失去电子的物体因缺少电子而带等量的正电荷。所以物体 带电实际上就是物体失去电子或获得多余电子的过程。 电荷的多少叫做电荷量( quantity of electricity),用符号Q或q表示。电荷量有时简称 电荷。电子所带电荷量是电荷的基本单元,叫做元电荷( elemantary charge)。物体所带的电 荷量都是电子所带电荷量的整数倍。在国际单位制中,电荷量的单位是库仑 coulomb),简称 库,用符号C表示。1C的电荷量相当于625×10个电子所带的电荷量,一个普通大小的 物体很难保持多于千分之一库仑的净电荷。 图111电荷之间的相互作用 「演示「 如图1.1-1甲所示,将两个小通草球(或表面涂有石墨的泡沫塑料小球)用丝线悬 第一章电场直流电 挂起来,用丝绸摩擦玻璃棒,使玻璃棒带电,并把玻璃棒上带的电传给一个小球,然 后使两个小球接触,带上同种电荷。可以看到什么现象? 如图11-1乙所示,将另外两个小球悬挂起来,并使它们分别带上正电荷和负电 蘅,又可以看到什么现象? 心■2
大量的实验告诉我们,电荷之间有相互作用:同种电荷相互排斥.异种电荷相互吸引。电 荷之间的相互作用力.随着距离的增大而减小.随着电荷量的增大而增大 电场电场强度我们过去学过的弹力、摩擦力都是当一个物体与另一个物体接触时产 生的,但是,电荷之间的作用力并不要求带电体相互接触。那么,带电体到底通过什么发生相 互作用呢? 实际上,就像我们初中学过的磁体周围存在磁场一样,电荷周围存在着一种叫做电场 ( electric field)的物质,电荷通过电场发生相互作用。 电场的一个重要的性质就是对置于其中的电荷有力的作用,这个力称为电场力。 把一个带正电的物体放在A处,然后把挂在 图112电场力 丝线上的带正电的小球先后挂在B、P、P等位 置(图1.1-2)比较小球在不同位置所受电场力 的大小,(小球所受电场力的大小可以通过丝线 偏高竖直方向的角度显示出来,偏角越大,表示 小球受到的电场力越大,) 通常,同一个电荷在电场中不同位置所受的电场力往往是 在物理学中,常常 不同的。这说明电场中不同位置的电场强弱是有差别的。物理 用比值定义一个物理 学中,用单位电荷在电场中不同位置所受的电场力来比较这些 量,用来表示研究对象 位置电场的强弱。或者说,用电荷所受的电场力大小与电荷所 的某种性质,例如,用 带电荷量的比值来表示某点电场的强弱。 质量m和体积V的比值 电场中某点处电荷所受的电场力F跟它所带的电荷量q的 定义密度p、用位移△x 比值叫做该点的电场强度( electric field strength),用符号E 与时间△t的比值定义 表示 速度,等等 电场强度的单位是NC,或Vm。如果1C的电荷在电场中的某图113电场强 点受到的电场力是1N,这一点的电场强度就是1NC。 度具有方向性 电场强度不仅有大小,而且有方向。如图1.13所示,同一正电 荷q在电荷Q所产生的电场中不同位置所受的电场力方向不同,说明 电场强度的方向也不同。物理学中规定:正电荷在电场中某点的受力 方向为电场强度E的方向。因此,电场强度E是描述电场强弱和方向 B 的矢量,反映的是电场自身的特性。 F ②例题一个电荷量为4.0×10-8C的正电荷在电场中某点 所受的电场力为6.0×10-4N,求该点的电场强度。若将一电荷量
为2.0×10-C的负电荷置于该点,该点电场强度是否变化?求它所受的电场力大小和方向 解:根据电场强度的定义式有 =:810=8 =1.5×104NC 该点电场强度大小、方向与该处是否放电荷以及电荷的大小、正负均无关,所以该点电场 强度不变。负电荷在该点所受电场力大小为 F=Eq=1.5×104N/C×2.0×10-8C=3.0×10-4N 力的方向与该点电场强度方向相反。 电场线电场看不见,摸不着怎么能形象地来表示它呢? 图114电场线上每一点的切线 还记得初中我们怎样形象地描述磁场吗? 方向都跟这点电场强度的方向 我们是用磁感线来形象地描述磁场的。类似地,也可以用电 一致。A、B、C各点的电场强 场线( electric field line)来形象地 度的方向分别如图中箭头所示。 电场线是形象 描述电场。 化描述电场的一种手 电场线是这样一些曲线,它上 段,实际电场中丹不 B 面每一点的切线方向都跟电场中 存在这样的线 这一点的电场强度的方向一致 (图1.1-4)。 「演示 用实验模拟电场线的分布 如图115,在玻璃或塑料容器中盛一些蓖15电场分布 麻油,将两个电极分别连到感应起电机的正、负 导电杆上.把头发屑撒在蓖麻油表面,转动感应 起电机,在电场中头发屑会排列起来,显示出电 场线的分布, 从图1.1-6可以看出,离电荷越近的地方,也就是电场越强的地方,电场线越密。所以,电 场线不仅可以表示电场强度的方向,而且,在同一个电场线分布图上 可以大致表示出 电场线分布 图116两个等量点电荷間图的电场线分布 各处电场强度的具有这样的特点 第一章电场直流电 大小。电场线越密从正电荷(或者从 的地方,电场强无限远)出发到负 度越大,电场线 电荷(或者延伸到 越稀的地方,电 无限远)终止 场强度越小。看到
某一区域的电场线分布情况,我们就可以比较具体地对这一区域 图L1-7电场线越密 的电场情况有个形象的了解 的地方电场强度越大 图1.1-7中的A、B、C三点相比,A点的电场强度最大,C点 的电场强度最小 在图1.1-冲的D点没画出电场线,是否该点电场强度为0?为什么?若把一个电 荷分别放在A、B、C三点,请画出它所受的电场力的方向 匀强电场在电场的某个区域如果各点电场强度的大小和方向 图118匀强电场 都相同,这个区域的电场就叫做匀强电场( uniform electric field) 匀强电场是最简单的电场,也是很常见的电场。两块分别带等量正、 负电荷,靠得很近的平行金属板之间的电场,除边缘附近外就是匀强 电场(图1.18)。 因为匀强电场中各点电场强度的方向都相同,所以电场线一定是 相互平行的直线;又因为各点的电场强度大小都相同,所以电场线的疏 密程度处处相同。因此,匀强电场的电场线是间距相等的平行直线。 广角 放电现象的防止 当电荷在物体上大量积累时,在物体周图就会产 图L19起电机导电杆之间的电火花 生很强的电场。如果电场足够强,原来是绝体的空 气被强电场击穿变为导体,这一现象称为空气的电离 强大的电流遜过电离的空气时发声、发光、产生电火 花并发出大量的热。实验室中感应起电机两个导电杆 之间的电火花(图1.1-9)云层之间和云层与地面之间 产生的闪电和雷鸣、生活中由于毛衣积累了静电而发 生的电击和火花,这些都是强电场使空气电离而产生 的放电现象 生产和生活中、放电火花会引爆易然物,例如,矿井中的火花放电会引起可然气体爆炸,威熏大矿 难;在石油运输过程中产生的静电,积到一定程度就会产生大花放电,引起爆炸.因此,油罐车都拖着 报铁链,它可以把车上的静电导入大地(图1.1-10飞机降落时,它与空气摩镲而产生的静电必颁通过