物体或微观粒子所带的电荷有两种,正电荷和负电荷。同种电荷互相排斥,异种电荷互相吸引。物体带电的多少称为电荷量(简称电荷),电荷量的单位名称为库仑(符号为C),简称库。按照原子理论,在每个原子里,电子环绕由中子和质子组成的原子核运动。原子中的中子不带电,质子带正电,电子带负电,质子与电子所具有的电荷量的绝对值是相等的。在正常情况下,每个原子的电子数和质子数相等,故物体呈电中性。
密立根油滴实验证明,在自然界中,带电物体的电荷总是以“±e”的整数倍出现,即q=±ne,n=1,2,3,…。这是自然界存在不连续性(即量子化)的又一个例子。电荷的这种只能取离散、不连续量值的性质,称为电荷的量子化。电子的电荷绝对值e称为元电荷,或称为电荷的量子,有
现代物理学理论认为基本粒子中的强子是由若干种夸克或反夸克组成,而夸克或反夸克带有或的电荷量。然而粒子物理学本身要求夸克不能单独存在,高能物理实验也没有发现自由的夸克。因此,电荷的量子性仍是一个得到认可的科学结论。
2.电荷守恒定律
大量实验证明,在一个孤立系统中,系统所具有的正、负电荷的代数和保持不变,这一性质称为电荷守恒定律。电荷守恒定律就像能量守恒定律、动量守恒定律、角动量守恒定律一样,是自然界中的基本定律。根据电荷守恒定律,电荷不能被创造或消灭,只能被迁移与中和。摩擦起电过程实际上是电荷从一个物体转移到另一个物体的过程,虽然两物体的电中性状态被打破,各显电性,但一方带正电,另一方带负电,两物体构成的系统仍然呈电中性。无论在宏观领域里,还是在原子、原子核和粒子范围内,电荷守恒定律都是成立的。
3.库仑定律
任何带电物体都具有一定形状和大小,但是在许多情况下,带电物体间的距离比它们自身的大小大得多,以致带电物体的形状和大小对相互作用力的影响可以忽略不计,这样的带电物体可以看作是点电荷。点电荷是从实际带电物体中抽象出来的模型。(www.xing528.com)
如果一个电荷量为q的带电物体不能看作点电荷,可以把带电物体无限分割成电荷量为dq的点电荷微元(简称电荷元),然后把这些电荷元直接当成点电荷加以研究和处理。从而将带电体看成无限多个点电荷的集合体,带电物体的性质就由这些点电荷性质的总和决定。
1785年法国物理学家库仑通过扭秤实验总结出两个点电荷之间的相互作用力的规律,即库仑定律。该定律揭示了静电相互作用的第一个定量规律。
库仑定律表述为:在真空中,两个静止点电荷之间的相互作用力,其大小与它们电荷的乘积成正比,与它们之间距离的二次方成反比;其方向沿着两点电荷的连线,同号电荷相斥,异号电荷相吸。
如图10-1所示,两个点电荷分别为q1和q2,由电荷q1指向电荷q2的矢量用r表示。那么电荷q2受到电荷q1的作用力F为
图10-1 库仑定律
式中,er为从电荷q1指向q2的单位矢量,即;ε0为真空电容率或真空介电常量,一般计算时,其值为
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