电力与电场-14

電力與電場-141電力與電場(ElectricForcesandFields)電力與電場-142電荷的形式電荷的形式有兩種；一種稱為正電，另一種稱為負電。一系統中的淨電荷是其組成粒子的電荷代數和──注意要包含正、負符號。一個電中性的物體有相同數量的正負電荷，因此淨電荷為零。質子的電荷為正，電子的電荷為負,一個中性原子有相同數量的質子和電子，達到正負電荷的平衡。如果電子和質子的數量不相等，那麼此原子就稱為離子。電力與電場-143基本電荷質子和電子有相同的電荷量，此電荷量稱為基本電荷(符號e)，此乃電荷之最小單位。同性電相斥，異性電相吸。C10602.119e電力與電場-144質子、電子、中子之質量及電荷粒子質量電荷質子電子中子kg10673.127pmkg10109.931emkg10675.127nmC10302.119peqC10602.119eeq0nq電力與電場-145當你走過地毯、伸手與朋友握手而給朋友一個無意的電擊時，轉移的電荷量一般大約為1nC。(a)如果此電荷的轉移是只靠電子，那麼有多少個電子被轉移呢？(b)如果你的身體有的淨電量，計算過剩電子的百分比？(提示：電子的質量大約是核子質量的1/2000，所以身體大多數的重量是核子們的重量。存在於身體中多數的原子(例如碳、氮、氧)大約有相同的質子與中子的數目。一個重要的例外是氫，在它最普通的形式中是有一個質子而沒有中子。由於問題只需一個數量級的計算，不需要很大的精確度；我們可以假設1/2的核子是質子。一個無意的電擊電力與電場-146解答：(a)被轉移的電子數目等於被轉移的電量除以每個電子的電量：個電子每個電子9199106C106.1C101注意轉移的電量大小是1nC，但由於它是由電子來轉移的，所以轉移的電量是負的。(b)我們身體質量大約70kg來估計。身體大多數的重量是核子們的重量，所以個核子每個核子質量身體質量核子數目2827104kg101.7kg70電力與電場-147假設約有1/2的核子是質子，個質子質子數目282821102104在一個電中性物體中，電子的數目等於質子的數目。由於淨電荷為，物體有個額外的電子。則過剩電子的百分比為nC19106%)103(%10010210617289討論：由這個例子可知，帶電的巨大物體只有微小的正電荷與負電荷數量之間的差異。基於這個理由，巨大物體之間的電力常被忽略。電力與電場-148極化一個電中性的物體內部有正電荷與負電荷的區域，兩者彼此互相分開，這樣的物體是“被極化的”。一個被極化的物體，即使它的淨電荷為零還是可以感受到電力。電力與電場-149(a)帶負電的橡膠棒吸引一些小紙片；(b)帶正電的玻璃棒吸引一些小紙片；(c)一小紙片中許多極化分子的放大圖。電力與電場-1410導體與絕緣體一般的物質由包含電子與原子核的原子所組成。電子被原子核束縛的程度差異極大。電荷能容易地移動的物質稱為電導體，而電荷較不易於移動的物質則稱為絕緣體。一般而言,金屬為良導體,電子在金屬中自由地漫遊;而大部份的非金屬則非導體。純水是一個絕緣體,但一般的水含有雜質,因此可視為導體。導電性介於導體與絕緣體之間的稱為半導體。電力與電場-1411摩擦帶電將兩個絕緣體互相摩擦可以將電荷分離。(其中一個帶正電,另一個帶負電乾燥空氣中最容易產生帶電。當溼度高的時候，物體的表面上會凝結一水分薄膜；此時電荷更容易漏失掉，所以建立電荷是困難的。導體因為電荷可以自由流動,並不容易以摩擦的方式帶電。導體要帶電可以用另一個帶電體與其接觸,多餘的電荷便會流入導體。電力與電場-1412導體充電：(a)在絲綢摩擦玻璃棒後，玻璃棒帶淨的正電荷且絲綢帶淨的負電荷；(b)將玻璃棒觸碰一金屬球。帶正電的玻璃棒會從金屬吸引一些自由電子到玻璃棒上；(c)玻璃棒被移開。金屬球的電子比質子少，所以它有淨的正電荷。即使實際上是負電荷被轉移(電子)，通常我們說“正電荷被轉移到金屬上”，因為此淨效應是相同的。電力與電場-1413接地地球是一個導體。地球是足夠大的，對許多情況而言可以將它視為一個無限制的電荷庫。將一個導體接地指的是在導體與地面(或另一電荷庫)之間提供一條傳導路徑。一個帶電的導體接地後會放電。電力與電場-1414感應帶電導體也可以不須經帶電體直接接觸而帶電,但其必須接地。當一帶電體接近導體時,導體上部份的電荷會因為接地而流失。若在帶電體移開時將接地線拆除,導體上將會帶淨電荷。(當然,若在帶電體移開時導體仍接地,此時電荷將經接地線回流回導體)。電力與電場-1415感應帶電：(a)用絲綢摩擦玻璃棒使其帶電；(b)帶正電的玻璃棒移近一個金屬球，但是不碰觸它。當球內的自由電子被吸引朝向玻璃棒時，此球是被極化的；(c)當此球接地時，電子被球上的正電荷吸引而從地上移動到球上；(d)拆掉接地線且不移走玻璃棒；(e)此時移走玻璃棒。電荷因為同性電相斥而分布在整個金屬表面上。此球因為過剩的電子而帶負的淨電荷。電力與電場-1416影印機影印機的操作是建立在電荷的分離及不同電荷之間的吸引的基礎上。其工作的原理乃是利用一種稱為光導體的材料──一個光敏半導體。當沒有光照在硒上時，它是一個十足的絕緣體；但是當光照到它時，它變成一個良導體。滾筒上有一種稱為調色劑的黑色粉末接觸。調色劑粒子已帶有負電，因此它們會被吸引到滾筒上帶正電的區域。調色劑黏在滾筒上有正電的地方，沒有帶電的地方調色劑是不會黏附。紙張會從滾筒上吸走那些帶負電的調色劑粒子，在紙上形成原稿的影像。電力與電場-1417影印機的操作是利用帶負電的調色劑粒子被吸引到帶正電滾輪上的區域。電力與電場-1418電力與電場-1419電場在任何點的電場定義為在那個點上每單位電荷的電力。因為力為向量,因此電場亦為一向量。如果q是正的，電力的方向與電場的方向相同；如果q是負的，這兩個向量有相反的方向。電力與電場-1420電場線電場線來描述電場的分佈:任何點電場線之切線方向表電場的方向,而電場線較密之處表示該處電場較強.電場線不會相交:否則電場線交點處電力之方向就不唯一.電場線於正電荷出發終於負電荷,非一封閉曲線.電力與電場-1421圖16.17場線規則圖解。(a)在點及點的電場方向；(b)在點的電場大小大於在點的電場大小；(c)如果從一點電荷劃出12條線，則必須有8條線結束在的點電荷上；(d)如果場線相交，則無法決定在相交處電場的方向。電力與電場-1422點電荷的電場線點電荷的電場線是放射狀的(遠離一正電荷或朝向一負電荷)。靠近點電荷處場線是較為密集，此時電場是強的；遠離電荷處場線會散開，顯示電場強度隨著距離變大而減少。電力與電場-1423電偶極所產生的電場一電偶極乃兩帶相同電量q但電性相反之電荷相距d所形成;其電場線如圖16-19所示.電力與電場-1424電位置某些動物和魚類進化出產生以及偵測電場的器官。這些動物可以利用這些感覺器官偵測到電場的變化,以偵測到獵物或敵人。尼羅河魔鬼所產生的電場。此電場幾乎是一個電偶極的電場。此魚的頭部是帶正電且尾部是帶負電。電力與電場-1425在電視機、電腦螢幕、示波器和x光管中，陰極射線管(CRT)是用來加束電子。從熱燈絲跑出的電子通過陰極中的小洞；然後在陰極與陽極之間的利用一個電場來加速。電力與電場-1426靜電集塵器集塵器腔體內部是一套帶電相反的金屬板。這些帶電相反的金屬板，裝有作為放電點的針狀金屬絲凸出物。在這些點的電場強到足以將空氣分子離子化。這些微粒物藉由與離子接觸而帶正電。金屬板間的電場將這些微粒物吸引到帶負電的收集板。電力與電場-1427靜電集塵器