电力

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引言

电磁学是物理学最重要的分支之一。在我们日常生活中看到的力中，除万有引力外，所有力都是电磁力。除了万有引力（包括金属丝的张力、表面的垂直力和摩擦力）之外，我们生活中遇到的所有力都是原子间出现的电磁力。

任何中性物质都具有相同数量的电子和质子。如果最外层的电子离开原子，它就变成自由电子并引起电流。失去外层电子的原子具有更高的正电荷。当一个物体摩擦另一个物体时，粒子会从一个物体迁移到另一个物体。

电力

电荷之间的电力有两种。

一种是吸引力，另一种是排斥力。同性电荷相互排斥；异性电荷相互吸引。电荷之间的力称为电力。这种力属于非接触力。因为这种作用无需电荷相互接触。电荷周围能够感受到其电荷作用的区域称为电场。作用在小正电荷上的力的方向称为电场方向，并用电力线表示。电力线是在电场中均匀电荷趋于移动的方向上绘制的直线或曲线。它们是假想的线。

图2. 电荷的性质

你如何定义电力？

电力与电荷的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比。两个点电荷之间的静电力遵循牛顿第三定律。作用在一个电荷上的力作为反作用力，作用在另一个电荷上的力作为相反的反作用力。

电力的强度取决于什么？

电力取决于任意两个电荷点之间的距离和点粒子上的电荷的乘积。但在牛顿第三定律中，万有引力等于点质量的乘积。因此，牛顿第三定律和库仑定律之间存在一些重要的差异。

什么是库仑定律？

电力与粒子电荷的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比。

     图3. 两个点之间的库仑力

$$\mathrm{F\:\alpha\:\frac{{q_1}{q_2}}{r^2}}$$

1786年，库仑提出了在自由空间中两个静止点电荷之间力的方程。考虑两个静止的点粒子，它们在真空中相隔距离r，电荷分别为$\mathrm{q_{1}}$和$\mathrm{q_{2}}$。根据该定律，作用在点电荷$\mathrm{q_{1}}$上的点电荷$\mathrm{q_{2}}$的力写为

$$\mathrm{\overrightarrow{F_{21}}=k\frac{q_{1}q_{2}}{r^{2}}\widehat{r_{12}}}$$

其中$\mathrm{\widehat{r_{12}}}$是从$\mathrm{q_{1}}$到$\mathrm{q_{2}}$的单位向量，k是比例常数。

重要性质

• 库仑定律与牛顿万有引力定律具有相同的结构。在这两种情况下，力都与距离的平方成反比。

• 两个物体之间的万有引力总是吸引力。库仑力是吸引力或排斥力，取决于粒子的性质。

• 万有引力常数的值为$\mathrm{G=6.626\times 10^{-11}Nm^{2}kg^{-2}}$。但库仑常数的值$\mathrm{k=9\times 10^{9}Nm^{2}C^{-2}}$。库仑定律中的'k'远大于G的值。因此，对于质量较小的物体，静电力远大于万有引力。

• 无论质量是静止还是运动，万有引力都保持不变。但是，当粒子运动时，另一个力（洛伦兹力）开始与库仑力一起作用。

• 库仑定律仅适用于点电荷粒子。但点粒子只是一个概念，实际上不可能实现。如果粒子的尺寸与它们之间的距离相比非常小，我们可以使用该定律。

• 两个物体之间的万有引力与它们所处的介质无关。例如，作用在两个1公斤质量之间的万有引力值不会改变，无论它们是放在空气中还是水中。但作用在两个电子之间的静电力取决于它们所处介质的性质。

电力的公式是什么？

库仑定律给出了电力的公式，其表达式为

$$\mathrm{F\propto \frac{q_{1}q_{2}}{r^{2}}}$$

$$\mathrm{F=k \frac{q_{1}q_{2}}{r^{2}}}$$

$$\mathrm{F=\frac{1}{4\pi \epsilon _{0}} \frac{q_{1}q_{2}}{r^{2}}}$$

F - 电力

$\mathrm{q_{1}q_{2}}$ - 粒子的电荷

k - 常数($\mathrm{\frac{1}{4\pi \epsilon _{0}}}$)

r - 电荷之间的距离

电力示例

• 大约两千年前，古希腊人发现一种叫做琥珀（一种半透明的树脂化石）的物质，用动物皮毛或羊毛摩擦后会吸引树叶和灰尘。所以琥珀具有带电的特性，也就是说，当它被其他物体摩擦时会产生电力。

• 用干梳子梳理头发并靠近一小片纸时，头发会带电。气球摩擦我们的手后会粘在墙上，没有任何摩擦力。在以上所有操作中，当一种物质摩擦另一种物质的表面时，它们会带电并通过电力相互吸引。

• 用丝绸摩擦玻璃棒也会发现它会吸引纸片。因此，即使是用合适的材料摩擦的玻璃棒也会带电，它通过电力吸引纸张。

• 当带电的玻璃棒靠近摩擦过的橡胶棒时，它们会相互吸引。同时，如果带电的玻璃棒靠近另一个带电的玻璃棒，则会看到它们相互排斥。从这些观察结果可以得出以下结论：

• 橡胶棒获得的电荷与玻璃棒获得的电荷不同。

• 带电的橡胶棒排斥另一个带电的橡胶棒。由此可以看出，同性电荷相互排斥。

• 带电的橡胶棒吸引带电的玻璃棒。由此可知，玻璃棒上的电荷和球体上的电荷类型不同，异性电荷相互吸引。

结论

通过 J.J. 汤姆森和 A. 卢瑟福等科学家在 19 世纪末和 20 世纪初进行的开创性研究，已知原子是电中性的。除了万有引力（包括金属丝的张力、表面的垂直力和摩擦力）之外，我们生活中遇到的所有力都是原子间出现的电磁力。电荷之间的电力有两种。一种是吸引力，另一种是排斥力。同性电荷相互排斥；异性电荷相互吸引。电荷之间的力称为电力。这种力属于非接触力。1786 年，库仑提出了在自由空间中两个静止点电荷之间力的方程。

常见问题

Q1. 定义电动势。

A1. 电池和其他电源充当电阻器，推动电荷使其流过导线或导体。电源的这种推动作用是由它们的电动势 (emf) 完成的。在电路中，它相当于单位电荷绕电路一周所做的功。

Q2. 什么是电力线？

A2. 电力线是一系列绘制的线，用于显示空间中某点的电场。电力线始于正电荷，终止于相反的电荷或无穷远。

Q3. 解释微波炉的工作原理。

A3. 微波炉的工作原理是作用在电偶极子上的力矩。我们知道，我们食用的食物中的水分子是稳定的电偶极子。该产品产生的微波是振荡的电磁波。因此，它们对水分子施加扭转力。

Q4. 为什么家用电路中使用铜线？

A4. 铜导体的电阻非常低。因此，家用电路中使用铜线。这些导线周围的材料具有较高的电阻。

Q5. 磁场的例子是什么？

Ans. 将一块磁铁放在桌子上，并在其附近放置一些铁质回形针。缓慢地将磁铁移向回形针，直到回形针吸附在磁铁上。从上述现象可以看出，磁铁周围存在一个无形的磁场。