[关闭]
@joyphys 2015-09-15T06:26:28.000000Z 字数 3523 阅读 2788

电磁学讲义1:静电的基本现象

电磁学讲义 Blog


参考书

我们选用的教材是赵凯华《新概念物理教程·电磁学》(第二版),也可以用赵凯华教授写的《电磁学》(第三版),两本书的内容其实几乎完全一样。

其他参考书:

北师大梁灿彬


复旦大学贾起民和郑永令


中国石油大学(华东)薛庆忠


中国科学技术大学叶邦角

北大陈秉乾老师的讲课视频:http://opencourse.pku.edu.cn/course/CourseAction.do?dispatch=toIndex&course_id=37&longa=1&view=view1

英语参考书:

更高级参考书:

成绩评定

总成绩=期末(50%)+期中(25%)+测验(15%)+上课表现(10%)
上课表现包括出勤、作业和课堂积极性

创新表现可获得额外加分,包括但不限于论文、实验制作、制作电磁学知识相关视频、撰写维基百科条目、写作或翻译科普文章。

电学的诞生

雷电应该是人类最早观察到电现象。

根据公元前2750年(中国还在新石器时代,埃及已经进入文明时代)的古埃及的记载,古埃及人发现尼罗河里有一种电鱼,电鲶,具有发电器官,以电击击昏猎物。又过了上千年,古希腊、古罗马和古阿拉伯人都发现和描述过电鱼,古希腊医生还用电鱼治病。

图为电鲶。

但是第一个有记载电效应和闪电相比,很不引人注目。这就是琥珀经摩擦之后吸引轻小物体的现象。琥珀是植物树脂的化石,可用于制作首饰。古代欧洲还有一条运输琥珀的贸易道路,这就是琥珀之路。北欧是琥珀的发源地之一,在北欧的民间传说中,琥珀是海神女儿美人鱼叹息相恋的王子而留下的眼泪,安徒生童话的《美人鱼》中也记载了人鱼公主的这段故事。由于琥珀有着太阳般的色泽,加上一层神话色彩,北欧人认为它能够驱除邪恶,把它制成护身符、扣子和挂珠等,此后琥珀逐渐在古埃及和古罗马也流行起来,成为贵族们的装饰品。由于琥珀之路的开通,促使欧洲大陆从北向南得以贯通,此后更向东发展连接了亚洲的波斯、印度和中国,增进了欧洲和亚洲的商贸往来,促进了人类文明的交流和发展。

图为琥珀挂件

古希腊人发现毛皮与琥珀摩擦之后,二者之间会互相吸引。约公元前600年(中国处于春秋时代),古希腊人泰勒斯对琥珀效应做了大量观察,他认为摩擦使琥珀带上磁性。

图为泰勒斯。

此后几千年,电的研究没有任何进展。直到到1600年(明朝万历年间),威廉·吉尔伯特出版了著作《论磁》(De Magnete),总结了自己近20年对电和磁的研究。这是一本具有现代科学精神的书籍,着重于从实验结果论述。吉尔伯特指出,琥珀不是唯一可以经过摩擦产生静电的物质,钻石、蓝宝石、玻璃等等,也都可以演示出同样的电学性质,在这里,他成功地击破了琥珀的吸引力是其内秉性质这持续了2000年的错误观念。吉尔伯特把电和磁做了区分,创造了新的词,电(electrica),这个词就来自希腊语琥珀。吉尔伯特还发明了验电器。


图为吉尔伯特


图为1628年出版的《论磁》(De Magnete


图为吉尔伯特制成的静电验电器,可以探测静电电荷。当带电物体接近金属指针的尖端时,因为静电感应,异性电荷会移动至指针的尖端,指针与带电物体会互相吸引,从而使得指针转向带电物体。

英国科学家斯蒂芬·格雷发现铜和银等物体容易导电,丝绸之类的物体不易导电。


图为1730年格雷的吊小孩实验。小孩用丝绸绳吊在半空,从脚上摩擦带电,小孩带上电之后,轻金属片会受到小孩的手的吸引,放电的时候,手上会打火花。 左边有个小孩,站在绝缘的鼓上,防止他接触带电小孩的时候受到电击,站在地上的成年人,没有绝缘,接触带电小孩的时候,会打火花。

从1732年开始,法国科学家杜费开始系统研究各种物质的电性质。他研究过如颜色对电的影响等之类的问题。他最重要的发现是电有两种,他分别命名为玻璃电和树脂电,发现同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。杜费认为电是种流体,可以从一个物体流到另一个物体使其带电,任何物体都含有这两种电流体的混合物。


图为杜费

长期以来,产生电只有靠摩擦,但是摩擦产生的电荷无法持久,要是能发明一种能把电存起来的装置就方便多了,这样的装置在17世纪中期发明了出来,这就是莱顿瓶。莱顿瓶不是莱顿发明的,是1745年(q)莱顿大学的一位教授发明的。很多科学家曾独立发明过莱顿瓶。


图为莱顿瓶的原型。转动的玻璃球摩擦带电,把电荷通过金属链传到瓶子的水里,水里会累积电荷,人的手上会累积相反的电荷,如果接触通往水里的导体,人就会受到电击。

莱顿瓶发明之后,极大促进了电学实验,并且还产生了一项娱乐业。

1748年,法国巴黎圣母院外给法国王室的电学表演。700位修道士手拉手排成一行,排在队尾的人用手摸莱顿瓶,在接触的一瞬间,700为修道士几乎同时被电得跳起来。

1746年,有位英国学者去北美讲学和进行电学表演,静电使纸屑漫天飞舞,莱顿瓶放电当场电死老母鸡,表演引起满堂喝彩。这场表演引起了一个中年人的好奇,决心投入电学的研究,这个人就是本杰明·富兰克林


图为本杰明·富兰克林。


美元钞票上的富兰克林。

富兰克林把杜费提出的玻璃电和树脂电都改称正电荷和负电荷。他把杜费的两元流体改成一元流体,负电就是所在处正电的丢失。他还提出我们现在所谓的电荷守恒定律

在一个封闭的或孤立的系统中,正、负电荷的代数和为常数。

所谓“孤立”,指的是没有物质通过系统边界。

富兰克林的很多观念与现在的物理观念不符,电的种类和数量不是依赖于什么流体,而是由于带电粒子的转移。

物质的电结构

物体受摩擦怎么会带电呢?受摩擦之后,外表看来没什么变化,到底发生了什么呢?我们需要到物质的组成单元——原子中寻找答案。

原子由带正电的原子核和带负电的电子组成,原子核由带正电的质子和不带电的中子组成,一个质子所带的电量和一个电子所带的电量数值上相等,但符号相反。一个原子的质子数和电子数是相等,所以原子整体对外不显示电性。如果在一定的外因作用下,物体(或物体的某一部分)得到或失去一定量的电子,电子数与质子数不相等了,物体就呈现电性。
原子
图为原子的结构。

两种物体相互摩擦,会使每个物体的电子摆脱原子的束缚,跑到另外一个物体上去,但是彼此转移的电子数往往不相等,所以,总体上讲,一个物体失去了电子,另一个物体得到了电子,失去电子的物体带正电,得到电子的物体带负电。

对于金属,原子的最外层电子可以摆脱原子的束缚,在整个金属里近乎自由运动,所以金属容易传导电荷,称为导体。像丝绸、玻璃之类的物体,电子被原子紧紧束缚,只能在很小的范围内运动,所以不擅长传导电荷,称为绝缘体。导电能力在二者之间的物质称为半导体

接触带电,如下图:

图为接触带电。

静电感应使导体带电。

图为静电感应。图(a),一个金属球放在一个绝缘支架上。图(b),带电棒靠近金属球,但不接触。金属球里的自由电子被带电棒上的电荷排斥,跑到金属球上远离带电棒的一侧(右侧),金属球上靠近带电棒一侧(左侧)带正电。这种现象就叫静电感应。如果把带电棒拿走,自由电子重新分布,金属球重新呈电中性。图(c),如果保持带电棒在金属球附近,用导线把金属球右侧接地,地球可以看做一个巨大无比的导体。有些电子就通过导线,进入大地。图(d),断开导线,金属球上只有原来的正电荷,分布保持不变。图(e),移走带电棒,金属球仍带正电荷,但是正电荷要重新分布。

带电绝缘体会吸引中性绝缘体,原理如下:

如上图,如果带电体附近的绝缘体的正负电荷分布偏离,这就是极化现象。如果带电体带负电,绝缘体分子的正电荷距离带电体更近,因此吸引力大于排斥力,总体上绝缘体与导体之间是吸引相互作用。如果带电体带正电,绝缘体分子的负电荷距离带电体更近,总体效应仍是吸引作用。

电荷的量值(电量)是量子化的
电量的单位为库仑,符号为C
任何带电体的电量必须是某个基元电荷e的电量的整数倍,这个基元电荷的电量就是一个质子或一个电子的电量。

e=1.602×1019C

电荷是量子化的,这是个实验现象,没有人知道为什么没有电量为0.5e0.9999e的带电粒子存在,而只能有电量为e整数倍的带电粒子存在。

有种粒子例外,组成质子和中子的夸克的电荷可以是±13e,或±23e。幸运的是,夸克不能单独存在,只能呆在质子或中子里面。

除教材外的参考资料:
* Chapter 1 of Electricity, Magnetism, and Light 2002
* 《力学以外的世界》
* Young and Freedman University Physics 13th Edition
* 维基百科

添加新批注
在作者公开此批注前,只有你和作者可见。
回复批注