奥赛辅导（十九）

第1页共37页第十九章真空中的静电场一、基本要求1、掌握库仑定律，确切理解电场强度概念，明确电场强度的矢量性，迭加性；2、确切理解电势和电势差的概念，明确电势是标量及它的迭加性、相对性；3、在已知电荷分布的情况下，掌握计算电场强度和电势的各种方法；4、确切理解电通量概念，掌握表征静电场性质的两条基本定理--高斯定理和环路定理。必须明确：两条定理各自反映了静电场的一个侧面，只有两者结合起来，才能全面地反映静电场的性质。5、掌握导体静电平衡条件和在静电平衡时导体的电特性，并能熟练地求出几何形状比较规则的导体内外的场强和电势；6、掌握电容器的储能公式，了解电场能量和能量密度概念。二、基本概念和规律1、库仑定律在真空中，两点电荷之间的作用力满足：12312021124rrqqF式中12r是从q1看出，点电荷q1的位置矢量，12F表示q1作用于q2的力。同理21321012214rrqqF应该指出：1）库仑定律只有在真空中，对于两个点电荷成立。亦即只有q1、q2的本身线度与它们之间的距离相比很小时，库仑定律成立。2）注意库仑定律的矢量性。当q1、q2为同号电荷，即q1q20时，表示12F与12r，21F与21r同向，即同号电荷相斥；当q1q20时，表示12F与12r，21F与21r反向，即异号电荷相吸。3）静电力的迭加原理第2页共37页如果有q0、q1、q2……qn个电荷组成的点电荷系，从q0看，各点电荷的矢径分别等于nrrr21,，则点电荷q0受到的静电力为inirqqrFii14300上式称为静电力的迭加原理，即在点电荷系中，任意一点电荷所受的静电力应等于每个点电荷单独存在时对该点电荷所作用静电力的矢量和。带电体（体积为V）作用于点电荷q0的静电力rFrdqqV30044）库仑定律仅适用于求相对于观察者静止的两点电荷之间的相互作用力，或者放宽一点，亦适用于求相对于观察者静止的点电荷作用于运动的点电荷力的情形。其理由是电磁现象不满足伽利略相对性原理，而只满足狭义相对性原理。5）库仑定律是静电场理论的基础。正是由库仑定律和静电力迭加原理而导出了描述静电场性质的两条定理（高斯定理和环路定理）。因此库仑定律是静电学的最基本的定律。2、描述静电场特性的物理量1）电场强度电场强度的定义：0qFE即单位试验正电荷在电场中某点所受的力定义为该点的电场强度。应该指出：a、试验电荷必须满足两个条件：一是试验电荷的电量q0必须充分小，使其q0的的引入而改变原来的电场分布；二是试验电荷的线度必须充分小，由此才可以精确地检验出空间各点的电场强度。至于试验电荷的正负完全是人为的，习惯上规定试验电荷为正电荷。b、E是表征电场对置于其中的电荷施以作用力的这一性质，亦即是刻画电场性质的物理量，与试验电荷的存在与否无关。c、E是矢量，必须遵从矢理运算法则。d、公式0qFE是电场强度的定义式是普遍适用的。第3页共37页e、电场强度和电场力是两个不同的概念，切记不可混淆。E是反映了电场本身性质；电场力F反映了电场对置于其中的电荷所作用的力。首先，从大小上看，场强E的大小只取决于在电场中的位置，与试验电荷存在与否无关；而电场力F的数值不仅取决于电荷所在处的场f强E的数值，而且还与电荷本身的电量有关。其次，从E与F的方向上看；E的方向与置于电场中的正电荷所受力的方向相同；而F的方向取决于电荷本身的正负和该点E的方向；对于正电荷所受力F的方向与该点E的方向相同，对于负电荷，F与E方向相反。最后，在SI制中，E的单位是牛顿／库仑＝伏/米；而F的单位是牛顿。电场强度的迭加原理：在点电荷系的电场中任一点的总场强等于各个点电荷单独存在时该点产生的场强的矢量和，即iiEE点电荷的场强：rrqE304式中r是从点电荷δ看拟求场强点的位置矢量，当r→0时，则E，这显然是不可能的，其原因是：点电荷是一种理想模型，只有当带电体的线度比起它到拟求场强的点的距离小得多的时候，才可把它视为占电荷。当r→0时，电荷q就不能当点电荷看待了。固然计算点电荷的场强公式就失去了成立的条件。因此就不能再用这个公式来计算r→0时的场强。根据点电荷的场强公式和场强迭加原理可以求已知电荷分布的任意带电体系之场强点电荷系的场强：iiirrqE304电荷连续分布的带电体的场强rrdqEV304第4页共37页2）电势电势的定义：设无穷远点的电热为零0VPEqAqWUppPld·00即静电场中某点P的电势VP在数值上等于将单位正电荷从该点经过任意路径移到无限远处时静电场力所做的功。若没有限远点如B点的电势为零；UB=0，则电场中各点的电势可表示为ld·PEUP应该指出：a、由于静电场（包括稳恒电场）是保守场，所以才引入电势的概念。电势是反映静电场本身具有能的性质的物理量，与试验电荷q0的存在与否无关。它只是空间坐标的函数，与时间t无关。b、电势是相对的，其值与电热零点的选取有关。电势零点的选取一般应根据问题的性质和研究的方便而定。电势零点的选取通常有两种：在理论上，计算一个有限大小的带电体所产生的电场中各点的电势时，往往选取无限处的电势为零（对于无限大的带电体则不能如此选取，只能选取有限远点电势为零）。今后未特别指出：在计算电势时就指的之种情形；在电工技术或许多实际问题中，常常选取地球的电势为零，其好处在于：一方面便于和地球比较而确定各个带电体的电势；另一方面地球是一个很大的导体，当地球所带的电量变化时，其电势的波动很小。c、电势是标量，可正可负，遵从数性函数的运算法则。d、电势虽是相对的，但在静电场中任意两点间的电势差则是绝对的，在实用中，它比电势更有用。ld·baEUUba由电势差可计算静电场力所作的功ld·)(baEqUUqWWAbabaabe、在力学中，势能这个概念比势这个概念更为常用，在静电学中，则刚好相反，电势这个概念比电势能更为常用。但电势和电势能是两个不同的概念，切第5页共37页记不能混淆。电势迭加原理：在点荷系的电场中任一点的电势应等于各个点电荷单独存在时在该点所产生的电势的代数和，即iiUU点电荷的电势：rqU04由点电荷的电势公式和电势迭加原理可以求已知电荷分布的任意带电体系之电势点电荷系的电势：iiirqU04电荷连续分布的带电体的电势VrdqU043）场强与电势梯度之关系场强等于电势梯度的负值UE场强在某一方向ld上的投影为lUEl应该指出：a、电势梯度是矢量，它表示电势的空间变化率。电势梯度的方向沿等势面的法线方向，且指向电势增加的一方，在这个方向上电势增加得最快；电势梯度的大小表示电势在这个方向上的最大空间变化率。而电场强度的方向（当然亦与等势面垂直）是电势降落最快的方向；电场强度的大小表示电势沿这个方向上的最大空间减少率。因此电场强度等于电势梯度的负值，其负号表示电场强度的方向与电势梯度的方向相反，即指向电势降低的方向。b、在电势等于常数（或为零）的地方，场强不一定为零，只有在电势不变的区域，场强才为零。同样地，在场强为零处，电势不一定为零。c、场强和电势梯度之间的关系，在实际运动中非常重要，限于普通物理学的内容在此不再赘述。3、静电场的基本定理第6页共37页由库仑定律和静电力的迭加原理可以导出静电场的两基本定理。1）高斯定理高斯定理：∮siiqE01Sd·即在真空中的静电场中，通过任一闭合曲面的电通量等于该闭合曲面，所包围的电荷的代数和的ε0分之一，而与闭合曲面外的电荷无关。应该指出：a、式中积分符号内的E是由闭合曲面内、外电荷所产生的总场强；而iiq只是对闭合曲面内的电荷求和，且是代数和，这是因为闭合曲面外的电荷对总通量没有贡献，但绝不是对闭合曲面上各点的总场强没有贡献。b、高斯定理只反映了静电场性质的一个侧面，它说明静电场是有源场，电荷就是它的源，正电荷是静电场（亦电场线）的“源头”，负电荷是静电场（亦电场线）的“尾闾”。c、当∮s0Sd·E时，分两种情况：一是在所选取的闭合曲面上各点的场强E处处为零，当然∮s0Sd·E；二是在所选取的闭合曲面所包围的电荷的代数和等于零，即iiq=0，或闭合曲面没有包围电荷，当然∮s0Sd·E。d、高斯定理的导出取决于库仑定律的反平方关系，即21r，若库仑定律的反平方关系不是严格成立，就得不出高斯定理。在普通物理学中，我们主要应用高斯定理来求具有一定对称性的带电体系的场强。2）环路定理静电场的环路定理：∮i0·ldE即在静电场中，场强沿任意闭合环路的积分等于零。应该指出：a、环路定理反映了静电场性质的另一个侧面，它说明静电场是保守力场（或无旋场），静电场力是保守力，这是我们在静电场中引入“电势”和“电势能”第7页共37页概念的依据。b、环路定理是静电场中的电场线不会形成闭合曲线这一性质的精确的数学表达形式。它也是能量守恒定律在静电场中的特殊形式。上述说法均可由反证法得证。4、静电场中的导体1）导体的静电平衡条件所谓导体的静电平衡是指在静电场中，导体内没有电荷的定向运动。但必须指出：导体的静电是一种动态平衡。即导体内不存在电荷的宏观定向运动，然而导体内带电粒子的微观热运动仍然存在。导体的静电平衡条件：导体内场强处处为零。2）静电平衡时导体的电特性由导体的静电平衡条件和高斯定理、环路定理导出静电平衡时导体的电特性。a.导体内场强处处为零。b.导体表面处场强处处与它的表面垂直，且E。式中，σ为导体表面的面电荷密度，E为总场强，是由空间中所有电荷激发的。c.导体是个等势体，导体表面是个等势面。d.净电荷只分布在导体的表面，导体内处处没有未被抵消的净电荷。对于弧立的、形状比较简单的导体，一般说来，表面曲率大的地方，面电荷密度大，表面曲率小的地方，面电荷密度小。e.对导体空腔当导体空腔内无带电体时：导体壳的内表面处处没有净电荷，净电荷只能分布在其外表面上；空腔内的场强处处为零，整个空腔内的电势和导体壳的电势相等。当导体空腔内有带电体时：导体壳的内表面所带电荷与空腔内电荷的代数和为零。无论导体空腔内有无带电体，空腔内的电场分布不受外部电场的影响；一个接地的导体空腔，其内、外电场互不影响。第8页共37页三、解题方法静电学中的核心问题就是已知电荷分布求电场的分布，亦即求场强和电势的分布。1、求电场强度的方法根据已知的电荷分布求场强的方法有三种：1）根据点电荷的场强公式和场强迭加原理求电场强度。求点电荷系的场强由公式iiiirrqE304计算。求电荷连续分布的带电体的场强由公式rrdqEV304计算。从原则上讲，采用这种方法可以计算已知电荷分布的任何带电体系的场强，因此是一种普遍的方法。但因场强是矢量，一般情况下需要计算三个分量，使计算往往较繁，且由于数学上的困难，也并非绝对可能。另外，在有些问题可运用已知的场强公式和场强迭加原理求场强。2）利用高斯定理求场强只有在电场分布具有一定的对称性的问题中，亦即产生电场的带电体系的电荷分布具有一定的对称性时，方可运用高斯定理非常方便地求出场强。因这不是求场强的普遍方法，而是一种辅助的方法。欲要求解静电场的一般问题，必须运用高斯定理和环路定理。限于教材内容所限，在此不予赘述。现将运用高斯定理求场强的步骤叙述如下：a、在给定问题中，分析电场分布的对称性是判断能否应用高斯定理求场场强的关键。在给定问题中，只有当电场分布具有一定的对称性时常见的对称性包括球时称、平面对称、轴对称等，方能用高斯定理求场强，否则不能用，但这并不意味着高斯定理对非对称电场分布的问题不适用，而是说只用它求不出场强。b、若能用高斯定理求场强，则选取适当的闭合曲面（又称为高斯面），使场强E从积分符号中能提出来。选取高斯面的原则：a)高斯面必须要通过拟求场强的点；第9页共37页b)高斯面的各部分的单位法线矢