2019-07-16 11:56:25

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电磁学
电磁学
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电荷(electric charge),带正负电的基本粒子,称为电荷。带正电的粒子叫正电荷(positive charge)(表示符号为“+”),带负电的粒子叫负电荷(negative charge)(表示符号为“﹣”)。也是某些基本粒子(如电子和质子)的属性,它使基本粒子互相吸引或排斥。

基本信息

  • 中文名

    电荷

  • 外文名

    electric charge

  • 电子电荷

    e

  • 应用范围

    物理学

  • 读音

    diàn hè

  • 命名者

    富兰克林

折叠 编辑本段 度量

主条目:电荷量

电荷的量称为"电荷量"。在国际单位制里,电荷量的符号以Q为表示,单位是库仑(C)。研究带电物质相互作用的经典学术领域称为经典电动力学。假若量子效应可以被忽略,则经典电动力学能够很正确地描述出带电物质在电磁方面的物理行为。

二十世纪初,著名的油滴实验证实电荷具有量子性质[1],也就是说,电荷是由一堆称为基本电荷的单独小单位组成的。基本电荷以符号e标记,大约带有电荷量(电量)1.602× 10^-19库仑。夸克是个例外,所带有的电量为e/3的倍数。质子带有电荷量e;电子带有电荷量-e。研究带电粒子与它们之间由光子媒介的相互作用的学术领域称为量子电动力学。

折叠 编辑本段 历史

公元前600年左右,希腊的哲学家泰勒斯(Thales, 640-546B.C.)记录,在摩擦猫毛于琥珀以后,琥珀会吸引像羽毛一类的轻微物体,假若摩擦时间够久,甚至会有火花出现[2]。

1600年,英国人吉尔伯特首先发明的静电验电器(versorium)是一种可以侦测静电电荷的验电器。当带电物体接近金属指针的尖端时,因为静电感应,异性电荷会移动至指针的尖端,指针与带电物体会互相吸引,从而使得指针转向带电物体。

1600年,英国医生威廉·吉尔伯特,对于电磁现象做了一个很仔细的研究。他指出琥珀不是唯一可以经过摩擦而产生静电的物质,并且区分出电与磁不同的属性[3]。他撰写了第一本阐述电和磁的科学著作《论磁石》。吉尔伯特创建了新拉丁语的术语"electricus"(类似琥珀,从"ήλεκτρον","elektron",希腊文的"琥珀"),意指摩擦后吸引小物体的性质[4]。这联结给出了英文字"electric"和"electricity",最先出现于1646年,汤玛斯·布朗(Thomas Browne)的著作《Pseudodoxia Epidemica》(英文书名《Enquries into very many received tenets and commonly presumed truths》)[5]。随后,于1660年,科学家奥托·冯·格里克发明了可能是史上第一部静电发电机(electrostatic generator)。他将一个硫磺球固定于一根铁轴的一端,然后一边旋转硫磺球,一边用干手摩擦硫磺球,使硫磺球产生电荷,能够吸引微小物质[6]。

电荷量是物质、原子或电子等所带的电的量。单位是库仑(记号为C)简称库。 常将"带电粒子"称为电荷,但电荷本身并非"粒子",只是我们常将它想像成粒子以方便描述。因此带电量多者我们称之为具有较多电荷,而电量的多寡决定了力场(库仑力)的大小。此外,根据电场作用的力的方向性,电荷分为正电荷与负电荷,电子带有负电。根据库仑定律,带有同种电荷的物体之间会互相排斥,带有异种电荷的物体之间会互相吸引。排斥或吸引的力与电荷的乘积成正比。库仑定律(Coulomb's law),法国物理学家库仑(Coulomb,Charles-Augustin de,1736年-1806年)于1785年发现,并后来用自己的名字命名的一条物理学定律。库仑定律电学发展史上的第一个定量规律,它使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。 它指出,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,作用力的方向沿连线,同号电荷相斥,异号电荷相吸。

折叠 编辑本段 原理

电荷的多少叫电荷量即物质、原子或电子等所带的电的量。电荷的符号是Q,单位是库仑(记号为C)简称库。

我们常将"带电粒子"称为电荷,此外,根据电场作用力的方向性,电荷可分为正电荷与负电荷,电子则带有负电。

正电荷:人们规定用丝绸摩擦过的玻璃棒带的是正电荷。

负电荷:人们规定用毛皮摩擦过的橡胶棒带的是负电荷。

电荷之间相互作用规律,同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。

折叠 编辑本段 电荷守恒定律

表述一:

电荷既不能创造,也不能消灭,它只能从一个物体转移到另一个物体,或从物体的一部分转移到另一部分,在转移的过程中,系统的电荷总数保持不变.

表述二:

一个与外界没有电荷交换的系统,电荷的代数和总是保持不变。

电荷量:电荷的多少。单位:库仑 C

最小电荷量:电子所带的电荷量。

元电荷:最小电荷量,用e表示,e=1.60x10-19C。所有带电体的电荷量或者等于e,或者是e的整数倍。故电荷量不能连续变化。

比荷:带电体的电荷量与质量的比。

折叠 编辑本段 物体带电方式

电荷亦称电,有实物的属性.不能离开电子和质子而存在。使物体带电的实质是获得或失去电子的过程。

起电的本质:都是将正、负电荷分开,使电荷发生转移,实质是电子的转移,并不是创造电荷。

1、摩擦起电

实质:电子在不同物体间的转移.

电子从一个物体转移到另一个物体。用毛皮摩擦过的橡胶棒带负电;用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电。

自由电子:

例如:金属中离原子核最远的电子往往会脱离原子核的束缚而在金属中自由活动,这种电子叫做自由电子。失去这种电子的原子便成为带正电的离子,它们在金属内部排列起来,每个正离子都在自己的平衡位置振动而不移动,只有自由电子移动,这就使金属成为导体。

2、感应起电

当一个带电体靠近导体时,由于电荷间相互吸引或排斥,导体中的自由电荷便会趋向或远离带电体,使导体靠近带电体的一端带异号电荷,远离带电体的一端带同号电荷。这种现象叫做静电感应。利用静电感应使金属导体带电的过程叫做感应起电。

实质:将金属导体中的电子从物体的一部分转移到另一部分。

对象:金属导体

3、接触起电

电荷从一个物体转移到另一个物体

折叠 编辑本段 电荷的种类

折叠 点电荷

点电荷是带电粒子的理想模型。真正的点电荷并不存在,只有当带电粒子之间的距离远大于粒子的尺寸,或是带电粒子的形状与大小对于相互作用力的影响足以忽略时,此带电体就能称为"点电荷"。 带电是物质的一种固有属性。电荷有两种:正电荷和负电荷。物体由于摩擦、加热、射线照射、化学变化等原因,失去部分电子时物体带正电,获得部分电子时物体带负电。带有多余正电荷或负电荷的物体叫做带电体,习惯上有时把带电体叫做电荷。

电荷间存在相互作用。静止电荷在周围空间产生静电场,运动电荷除产生电场外还产生磁场。因此静止或运动的电荷都会受到电场力作用,只有运动电荷才能受磁场力作用。

一个实际带电体能否看作点电荷,不仅与带电体本身有关,还取决于问题的性质和精度的要求。点电荷是建立基本规律时必要的抽象概念,也是把分析复杂问题时不可少的分析手段。例如,库仑定律、洛伦兹定律的建立,带电体的电场以及带电体之间相互作用的定量研究,试验电荷的引入等等,都应用了点电荷的观念。

折叠 粒子的电荷

在粒子物理学中,许多粒子都带有电荷。电荷在粒子物理学中是一个相加性量子数,电荷守恒定律也适用于粒子,反应前粒子的电荷之和等于反应后粒子的电荷之和,这对于强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用都是严格成立的。

折叠 编辑本段 特征

自然界中的电荷只有两种,即正电荷和负电荷。由丝绸摩擦的玻璃棒所带的电荷叫做正电荷,由毛皮摩擦的橡胶棒所带的电荷叫负电荷。 电荷的最基本的性质是:同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。物质的固有属性之一。琥珀经摩擦后能够吸引轻小物体的现象是物体带电的最早发现。继而发现雷击、感应、加热、照射等等都能使物体带电。电分正、负,同号排斥,异号吸引,正负结合,彼此中和,电可以转移,此增彼减,而总量不变。

构成物质的基本单元是原子,原子由电子和原子核构成,核又由质子和中子构成 ,电子带负电 , 质子带正电,是正、负电荷的基本单元,中子不带电。所谓物体不带电就是电子数与质子数相等,物体带电则是这种平衡的破坏。在自然界中不存在脱离物质而单独存在的电荷 。 在一个孤立系统中,不管发生了什么变化,电子、质子的总数不变,只是组合方式或所在位置有所变化,因而电荷必定守恒。

为了说明电荷的特征,不妨与质量作一些类比。电荷有正、负之分,于是电力有排斥力和吸引力的区别,质量只有一种,其间总是相互吸引,正是这种区别,使电力可以屏蔽,引力则无从屏蔽。爱因斯坦描述了质量有随运动变化的相对论效应;而电子、质子以及一切带电体的电量都不因运动变化,电量是相对论性的不变量。电荷具有量子性,任何电荷都是电子电荷e的整数倍 ,e的精确值(1986年推荐值)为: e=1.60217733×10^-19库质子与电子电量(绝对值)之差小于 (10-20)e,通常认为两者的绝对值完全相等。电子十分稳定 ,估计其寿命超过1010亿年,比迄今推测的宇宙年龄还要长得多。

折叠 编辑本段 分数电荷

所谓分数电荷是指比电子电量小的电荷,如果存在,将动摇电子、质子作为电荷基元的地位,具有重要的理论意义。1964年,M.盖耳-曼提出强子由夸克组成的理论,预言夸克有多种,其电荷有6种。但尚没有关于分数电荷存在的该项目属于粒子物理理论研究领域。电荷共轭-宇称(CP)对称性涉及到空间和物质的基本对称性,一直是粒子物理研究的前沿领域。Cronin和Fitch因发现CP破坏而荣获诺贝尔奖。但他们发现的只是间接CP破坏,既可由弱作用引起,也可由超弱作用来解释。要区分它们,必须研究直接CP破坏。这不仅对探索自然界新的作用力和理论有着重要意义,而且对弄清CP破坏的起源起着关键性的作用。自1964年起物理学家一直致力于对直接CP破坏的研究。

探索了近四十年的直接CP破坏给出更精确和自洽的理论预言,得到欧洲核子中心NA48和美国费米实验室KTeV两个重要实验的证实。由此实验和理论首次确立了自然界中直接CP破坏的存在,成功地检验了标准模型的CP破坏机制,排除了超弱作用理论。该项目同时解释了困扰粒子物理学界近五十年的所谓ΔI=1/2规则。被国际同行公认为"北京组"工作,得到国际上实验和理论主要专家的认可和引用。该项目对CP对称性自发破缺的双黑格斯二重态模型(S2HDM)中一些重要的物理唯象进行系统研究,指出S2HDM可以成为CP破坏起源的一种新物理模型。在电荷-宇称对称性破坏和夸克-轻子味物理理论研究方面,吴岳良作为主要完成人在国际核心刊物上发表了几十篇论文,总引用率达1000余次。发表在美国《物理评论快报》(PRL)上的论文单篇引用达90余次。

折叠 编辑本段 实验

高压产生的电荷两种电荷学生实验:将学生分组。

实验器材有:

(1) 玻璃棒、橡胶棒各两根 电荷电荷

(2) 毛皮、丝绸各两块

(3) 支架;为了避免实验中电荷的流失,最好两名同学同时进行操作。

实验过程:

(1) 两位同学同时都用丝绸摩擦玻璃棒,使它带电,将一根放在支座上,注意:要记住哪端带电,不要用手摸带电的一端,用另一根玻璃棒的带电端靠近这根玻璃棒的带电端,观察发生的现象

(2) 用毛皮摩擦橡胶棒,重做刚才的实验

(3) 用丝绸摩擦过的玻璃棒和用毛皮摩擦过的橡胶棒,做刚才的实验。

实验总结;人们用各种各样的材料做了大量的实验,人们发现带电物体凡是跟丝绸摩擦过的玻璃棒互相吸引的,必定跟毛皮摩擦过的橡胶棒互相排斥;凡是跟毛皮摩擦过的橡胶棒互相吸引的,必定跟丝绸摩擦过的玻璃棒互相排斥。就是说物体带的电荷要么跟丝绸摩擦过的玻璃棒所带电荷相同,要么跟毛皮摩擦过的橡胶棒所带电荷相同,没有第三种可能,自然界中只有这样两种电荷,美国科学家富兰克林对这两种电荷做出规定:丝绸摩擦过的玻璃棒所带电荷叫做正电荷,毛皮摩擦过的橡胶棒所带电荷叫做负电荷。1.电荷之间相互作用规律:同性相斥,异性相吸,大小用库仑定律来计算。2.点电荷作用力为一对相互作用力,遵循牛顿第三定律。3.库仑定律的适用条件:真空中静止点电荷间的相互作用力(均匀带电体间、均匀带电球壳间也可)。

折叠 编辑本段 历史

折叠 理清电荷

1785年,法国物理学家库仑(C.A.Coulomb,1736-1806)以他的扭秤实验得出静电作用定律.人类从此对电磁现象进入了定量研究。

1820年,奥斯特(H.C.Oersted,1771-1851)发现电流的磁效应。

1820年,安培(A.M.Ampère,1775-1836)发现电流之间的互作用定律。

1831年,法拉第(M.Faraday,1791-1867)发现电磁感应定律

1865年,麦克斯韦(J.C.Maxwell,1831-1879)在总结前人实验定律的基础上提出电磁场方程组(即麦克斯韦方程组),并从他的方程组预言电磁波的存在,进而指出光的电磁本质

1887年,赫兹(H.Hertz,1857-1894)以实验证实了电磁波的存在,并对麦克斯韦方程组进行了整理和简化。

1895年,洛伦兹(H.A.Lorentz,1853-1928)发表"电子论"并给出电荷在电磁场中受力的公式.至此,经典电磁理论的基础已经确立。

1897年,汤姆逊(J.J.Thomson,1856-1940)在阴极射线管中发现了电子(e-),这是人类历史上发现的第一个基本粒子。物理学家们陆续发现了一大批带电的或电中性的粒子,其中包括质子(p)、正电子(e+)和中子(n)。

电荷的发现

折叠 纳米发出电荷

1897年,汤姆逊 (J.J.Thomson) 在阴极射线实验中发现了电子,这是人类发现的第一个基本粒子,1905-1913年, R.A. Millikan 多次以"油滴"实验测量了电子的电荷质量比。

1911年,卢瑟福 (E.Rutherford) 跟据 a 粒子碰撞金属箔的散射实验,提出原子的有核模型;1920年,又猜测原子核内除存在带正电的"质子"外,还应当含有一种中性粒子。

1930年,狄拉克 (A.M.Dirac) 将相对论引进量子力学,提出相对论电子理论,预言存在电子的反粒子--正电子(同时预言存在磁单极) 。

1932年,安德森 (C.D.Anderson) 在宇宙线中发现正电子,证实了狄拉克的预言J.Chadwick 发现中子,证实了卢瑟福的猜测W.K.Heisenborg 和伊万年科各自建立原子核由质子和中子组成的假说 。

1935年,汤川秀树(H.Yukawa)提出强作用的介子理论;1950年C.F.Powell 在宇宙线中发现 p介子 。

1937年,安德森 (C.D.Anderson) 在宇宙线中发现 m子 。

1947年,陆续在宇宙线和加速器中先后发现了一批奇异粒子:L超子、K介子、X超子、W- 超子 1955年, 欧文·张伯伦(O.Chamberlain)和 E. G. Segre在加速器中发现反质子。

1964年,默里·盖尔曼(M.Gell-Mann)和 乔治·茨威格(G.Zweig) 提出强子结构的夸克模型自1980年代起在加速器的电子-质子碰撞实验中,先后发现了理论预言的3色 6味、以束缚态存在的夸克和反夸克(最重的t夸克直到 1995年才被发现)。

1964年, 一组科学家在欧洲核子中心(CERN)的加速器中发现反质子和反 中子组成的反氘核。

1983年,卡罗·鲁比亚(C.Rubbia)等在欧洲核子中心发现电弱统一理论预言的 W±和 Z0 粒子 。

在各种带电微粒中,电子电荷量的大小是最小的。人们把最小电荷叫做元电荷,常用符号e表示。

e=1.6×10^-19C

折叠 与生活联系

你可能听说过,有的人触电时被电吸住,而有的人触电时却被电打开了,这是怎么一回事呢?

原来,触电就是人体的某一部位接触到带电体,有电流从人体中通过。人触电后,主要反应是神经受到强烈刺激,引起肌肉收缩。大家知道,手部的动作主要依靠手指的活动,而手指只能向手心方向活动。当电流不大时如果用手指内侧或手心部位接触带电体,只是手部肌肉的收缩会使人牢牢握住带电体,这就是电吸。如果用指尖或手指外侧(手背部位)接触带电体,肌肉的强烈收缩反而会使手很快脱离带电体,这就是电打。另外,当接触到高电压的带电体时,通过人体的电流很大,有可能是人体全身或局部的神经麻痹,这时人体无法摆脱带电体,看上去像被电吸住了,在电吸情况下,如不及时切断电源,触电人很快就会出现皮肤灼焦,呼吸窒息、心脏停跳,造成假死状态。如不及时抢救,就会死亡。

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