静电学

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简介

电子学有两类研究：一类是电荷静止时的研究，另一类是电荷运动时的研究。那么，什么是电荷呢？电荷是基本粒子的一种属性，由于这种属性，这些粒子会施加或受到吸引力或排斥力的作用。电荷有两种类型，正电荷和负电荷。此外，还存在一个自然特征或属性，根据这个特征，我们可以说，当两个相同电荷具有相同的数量级但性质相同时，它们会相互排斥，反之亦然。因此，同性相斥，异性相吸。静电的概念阐述了电荷在静止状态下的一切属性。根据静电学，当电荷静止时，它只与电场相关联。

静电学是什么意思？

静电学是物理学的一个分支，我们研究其中静止电荷的性质。那么，什么是电荷呢？电荷是任何基本粒子的属性，因为如果该粒子对另一个粒子施加或受到电力的作用。测量电荷的标准单位是库仑，它是一个标量。在这个分支中，我们关注静止的电荷，或者我们可以说缓慢运动的电荷。由于电荷静止或缓慢移动，它只显示电效应，没有磁场。当我们研究静止的电荷时，它在我们的日常生活中也有很多应用。

• 我们在扬声器、喷漆、烟囱中的飞灰收集等方面应用了吸引和排斥的概念。

• 此外，静电复印机和阴极射线管也是基于静电学的。

什么是电荷？

电荷是任何微小或基本粒子的属性。基本粒子，如电子、质子等，是任何物质的主要粒子。根据定义，我们可以说，基本粒子的这种属性导致了这些粒子之间存在的电吸引力或排斥力。电荷有两种类型：正电荷和负电荷。人们之间也存在一个疑问，即正电荷是否比负电荷更高或更强，但这只是一个神话。正电荷和负电荷都是电荷的属性，强度取决于数量级，如果负电荷的数量级更大，则负电荷将更强，反之亦然。

电荷是一个标量，其标准测量单位是库仑。一个电子的电荷被认为是电荷的标准数量级。

$$\mathrm{e=1.6\:\times\:10^{-19} C}$$

质子带正电，电子带负电。因此，当一个原子具有大量或相等数量的质子和电子时，整个系统在电上是中性的。电荷具有三个基本属性

• 可加性

• 量子化

• 守恒

电场线

迈克尔·法拉第引入了电场线的概念来理解和可视化电场的性质。根据定义，电场线是曲线，当一个小正电荷在静电力作用下自由移动时，它可以沿着这些曲线移动。当我们画出这条曲线上任意一点的切线时，它将给我们源电场的方向。电场线的一些性质

• 这些电场线是连续的曲线。

• 这些电场线从正电荷端开始，并在负电荷所在的位置闭合。

• 当我们在一条线的任意一点画一条切线时，它将给出该点处电场线的方向。

• 任意两条线不能相交。

• 场线总是垂直的。

• 导体内部不存在电场，因此在导体内部找不到这些场线。

• 如果电场线靠得很近，则表示场强。其次，当场线之间有很大的间隙时，表示场弱。最后，当线平行时，场是均匀的。

库仑静电定律

库仑静电定律是由查尔斯·奥古斯丁·库仑于 1785 年提出的。他通过实验测量了两个带电粒子之间的电力。

根据该定律，当两个电荷静止并受到吸引或排斥时，它们之间的电力将为

• 与两个电荷的数量级或值的乘积成正比。

• 与这两个电荷彼此分离的总距离的平方成反比。

图 1：库仑静电定律

用户：Dna-Dennis，库仑定律，CC BY 3.0

现在，我们有两个电荷 $\mathrm{q_1}$ 和 $\mathrm{q_2}$，这两个电荷彼此分离的距离为 r。现在，使用库仑静电定律，这两个电荷之间的力为

$$\mathrm{F\:\varpropto\:q_1 q_2}$$

$$\mathrm{F\:\varpropto\:\frac{1}{r^{2}}}$$

因此，

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

当我们去除比例符号时，我们使用常数 k，称为静电力常数。

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

这里，$$\mathrm{k=\frac{1}{4\pi \varepsilon_0}}$$

$$\mathrm{k=9\:\times\:10^9 Nm^{2} C^{-2}}$$

因此，

$$\mathrm{F=\frac{1}{4\pi \varepsilon_0}.\frac{q_1 q_2}{r^{2}}}$$

由此，

一库仑电荷的另一种定义可以定义为：当两个电荷在真空中相距一米时，一个电荷对另一个相同数量级的电荷施加的排斥力为 $\mathrm{9\:\times\:10^9\:N}$ 的电荷量。

电通量

简单来说，我们可以说通量是流动。如果我们谈论的是电通量，则意味着电场线的流动。根据定义，电通量是指穿过电场内特定区域的电场线的总数。

图 2：电通量

电通量的公式

$$\mathrm{\Delta \Phi_E=E \Delta S \: cos \Theta}$$

$$\mathrm{\Delta \Phi_E= \overrightarrow{E}.\Delta \overrightarrow{S}}$$

电通量的标准单位是 Vm。

电势

电势可以定义为电场中任意一点的电势，即指将位于无限远处的一个单位正电荷移动到所需位置所需的功的量度，而运动是针对由电场引起的静电吸引力或排斥力进行的。

因此，

$$\mathrm{电势 =\frac{所做的功}{电荷}}$$

电势的标准单位是伏特 (V)。

结论

在以上各节中，我们学习了静电学的各种术语以及两个带电粒子之间静电力的普遍定律。在这里，我们还了解到，静止的电荷对我们来说非常有用，就像电流一样。

常见问题

Q1. 为什么导体内部没有电场线？

答：这是因为导体内部不存在电场，我们都知道电荷总是停留在导体的表面。

Q2. 电场概念的优势是什么？

答：利用这个概念，我们可以确定电荷或电荷对该点另一电荷的作用力。

Q3. 电荷的量子化是什么意思？

答：电荷的量子化表明物体的电荷不能是分数。粒子上的电荷值始终为整数

$$\mathrm{q=ne}$$

Q4. 电荷是如何相互作用的？

答：当一个电荷的电场对另一个电荷施加力，反之亦然时，这两个电荷会相互作用。

Q5. 电荷守恒是什么意思？

答：电荷守恒定律表明，无论发生任何电荷的增加或减少，系统的总电荷都将保持不变。