大学物理静电场

静电场主要内容电荷与带电体5.1.1电荷5.1电荷与电场1、摩擦起电

原子由带正电的原子核与带负电的电子构成；在通常状况下，原子核所带正电与核外电子所带负电相同，故而原子呈电中性。

原子结构钠原子

摩擦起电是产生了电荷吗？原子核所带正电荷很难改变，而外层电子却能摆脱原子核的束缚，从一个物体转移到另一个物体上。当物体失去电子时，它就会带正电；当物体得到电子时，它就会带负电。若在物体分离的过程中电荷难以中和，积累在物体上的电荷就形成了静电。2、电荷摩擦起电和雷电：对电的最早认识两种电荷：正电荷和负电荷电性力：同号相斥、异号相吸

电荷量：物体带电荷的多少（Q、q）

等量的正、负电荷相遇后，对外不再呈现电性，这种现象称为电中和。

电荷的量子性:e=1.602×10-19C电子电量：-e质子电量：e++AB++AB++AB使物体带电的方法有以下几种：①接触起电（电荷的转移，电子的转移）②感应起电③摩擦起电-A+B+CAB电荷守恒定律

电荷只能从一物体转移到另一物体，或从物体的一部分转移到另一部分，但电荷既不能被创造，也不能被消灭，不管系统中的电荷如何迁移，系统的电荷的代数和保持不变。（自然界的基本守恒定律之一）

生活中的静电现象库仑定律：在真空中，两个静止点电荷之间的相互作用力大小，与它们的电量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比；作用力的方向沿着它们的连线，同号电荷相斥，异号电荷相吸。为真空电容率，其值为:

电场10实验证实了两静止电荷间存在相互作用的静电力，但其相互作用是怎样实现的？电荷电场电荷静电场:相对于观察者静止的电荷在其周围产生的电场。产生电场的电荷称为场源。电场强度11定义电场强度矢量:物理意义:电场中某点的电场强度大小等于单位电荷在该处所受电场力的大小，其方向与正电荷在该处所受的电场力的方向一致。电场强度单位:根据电场强度定义，可知电量为q的点电荷在电场中受力为:电场强度叠加原理12点电荷的电场强度由库仑定律可得:由场强定义可得:电场强度叠加原理电场强度叠加原理13q0受力为:场点的电场强度为:电场强度叠加原理14点电荷系所激发的电场中，任一场点处的总场强等于各点电荷单独存在时在该点产生的场强的矢量和，这就是电场强度叠加原理。数学表达式:电场线15电场的图示法，规定：1.曲线上每一点切线方向为该点电场强度方向；2.通过垂直于电场线的单位面积内电场线的条数等于该点处的电场强度大小。dS内的电场线数垂直于电场线的面积由以上规定可知：电场线稠密的地方，电场强度大；电场线稀疏的地方，电场强度小。电场线16点电荷的电场线正点电荷+负点电荷电场线17一对等量异号点电荷的电场线+电场线18一对等量正点电荷的电场线++电场线19一对不等量异号点电荷的电场线电场线20带电平行板电容器的电场线++++++++++++

电场线21静电场的电场线性质:1.电场线起始于正电荷（或无限远处），终止于负电荷（或无限远处），在无电荷处不中断，也不形成闭合曲线；

----连续性2.在没有点电荷的空间里，任何两条电场线不会相交，因为电场中任意一点的电场强度只能有一个确定的方向。----唯一性注：静电场为有源无旋场，电场线是非闭合曲线。22例：地形等高线等值面：等高面----等高线----标量等高线的法向导数即梯度等值线反映标量场分布；梯度反映标量场变化最快的方向。地形等高线电磁场的研究方法电磁场的研究方法23II.通量A.场线与通量例：水流场与水流线场线场线上任意一点的切线，表示该点矢量场的方向空间点上场线的疏密程度，表示该点场的大小通量

通过与场线垂直的截面上的场线条数电场强度通量24通过电场中某一曲面的电场线数叫做通过该面的电通量，通常用e表示。对S面:对S1面:通过dS面的电通量:通过S面的电通量:高斯定理25通过一个任意闭合曲面的电通量等于该闭合曲面所包围的所有电荷电量的代数和除以真空电容率，与闭合曲面外的电荷无关。其数学表达式为：注：通过闭合曲面的电通量与闭合曲面外的电荷无关，但是空间电场强度是所有电荷激发的。电磁场的研究方法26源汇

电场线27点电荷的电场线正点电荷+负点电荷静电场的环路定理28静电场的环路定理由于静电力所作的功与路径无关，所以实验电荷q从电场中某点出发，经任意闭合路径又回到出发点，则静电力作功为零，数学表达式：实验电荷q与积分路径无关，则：静电场中，电场强度沿任意闭合环路的线积分恒等于零。----静电场的环路定理电势29由电势能的定义，有:定义:

为场点a处的电势，用Ua表示所以：

Ub为参考电势，通常取为零电势30电场中某点的电势在数值上等于放在该处的单位正电荷的电势能，也等于单位正电荷从该点经任意路径移到势能零点处时，电场力所作的功。电势是位置函数，是标量单位:伏特V

电势31在静电场中，任意两点a、b之间的电势之差为电势差，也叫电压，常用Uab表示，则:在静电场中任意两点a、b间的电势差等于单位正电荷从a点移到b点时静电场力所作的功。根据电势差的定义有，点电荷q在静电场中由a运动到b时，电场力作功为：电势32点电荷电场的电势在点电荷电场中，点P与点电荷q之间距离为r，则p点电势UP为:电势33电势叠加原理在n个点电荷q1、q2、…、qn共同激发的电场中，根据电场强度的叠加原理，可得场点P的电势为:电势34表述：点电荷系的电场中某点的电势，等于各个点电荷单独存在时在该点产生的电势的代数和。----电势叠加原理例题9-1135求带电量为Q、半径为R的均匀带电球面内外的电势分布。解

有限分布的带电体，选无限远处为零电势参考点。利用高斯定理可求得场强分布:方向沿径矢方向例题9-1136球面外P点，有:球面内P点，有:电场强度和电势梯度38等势面电场中电势相等的点构成的曲面----等势面等势面的性质1.电荷沿等势面移动时，静电力作功为零；2.等势面与电场线处处正交，电场线指向电势降低的方向；3.等势面较密集处电场强度较大，较稀疏处电场强度较小。电场强度和电势梯度39点电荷的等势面电场强度和电势梯度40一对等量异号点电荷的电场线和等势面+应用静电场中的导体静电场中的电介质等势体，内部无电场静电屏蔽现象电容器增强耐压提高电容静电感应和静电平衡条件42静电感应:导体内的电荷因外电场的作用而重新分布的现象。感应电荷:因静电感应在导体表面出现的电荷。附加电场:感应电荷在导体内、外激发的电场。++++++++感应电荷附加电场静电感应和静电平衡条件43静电平衡:导体中的电荷不再做定向运动。导体静电平衡条件1.导体内部的电场强度处处为零；2.导体表面处电场强度的方向，都与导体表面垂直，即:导体表面是等势面，导体是等势体。静电平衡时导体上的电荷分布44导体的静电性质一、导体内部无电荷分布，导体所带电荷只能分布在导体表面上。++++++++++二、空腔导体处于静电平衡1.空腔内无带电体时，空腔内表面处处无电荷，电荷只分布在外表面，空腔内无电场，处处等电势。静电平衡时导体上的电荷分布452.导体空腔内有带电体时，空腔内表面所带电荷与腔内带电体所带电荷的代数和为零。静电屏蔽46静电屏蔽：屏蔽腔内电场接地：空腔导体将使外部空间不受空腔内的电场影响.接地：导体电势为零静电平衡时导体上的电荷分布47导体表面的电场强度静电平衡时，在导体表面附近，电场强度的方向处处与导体表面垂直，大小与该处导体表面面电荷密度成正比，其关系为:静电平衡时导体上的电荷分布48带电导体尖端附近的电场特别大，可使尖端附近的空气发生电离而成为导体产生放电现象，即尖端放电

.++++++++++电风实验静电屏蔽49屏蔽外电场外电场空腔导体屏蔽外电场空腔导体可以屏蔽外电场，使空腔内物体不受外电场影响。这时，整个空腔导体和腔内的电势也必处处相等.电容器50两个带有等值而异号电荷的导体所组成的系统。----电容器电容器电容：式中：电容器的电容与两极板的形状、间距以及极板间的电介质有关。与极板所带电量无关。电容器51平行板电容器由两块彼此靠近的导体板组成

++++++-------极板间的电场强度为:极板间的电势差为:电容器的电容为:静电场中的电介质52电介质对电容的影响

相对电容率+++++++++++++++++--------------+++++++++++++++++--------------试验结果:式中r是介质的相对电容率，且r>1。

生活中的静电现象静电力的不良后果电视机的荧屏表面容易吸附灰尘，使图像的清晰度和亮度下降。混纺衣服上常出现不易拍掉的灰尘。印刷厂里，纸页之间因静电而粘合，给印刷带来不便。制药厂时，因静电吸引尘埃，使药品达不到标准纯度。静电火花引起的危害医院手术台上，静电火花会引起麻醉剂爆炸。煤矿里，静电火花会引起瓦斯爆炸。在航天工业里，静电放电会干扰航天器的运行，甚至会造成火箭和卫星的发射失败。在石化工业里，因静电放电引起的事故屡见不鲜。1、静电的危害性“幽灵”对于体内积存静电较多的人，可以通过“输出”的方式将其消耗掉。在家里洒些水，不便弄湿地板的地方，放置一两盆清水，同样可以达到增加室内空气湿度的目的。室内可用加湿器，摆放花草或在室内饲养观赏鱼。为避免静电击打，可用小金属器件（如钥匙）、棉抹布等先碰触大门、门把、水龙头、椅背、床栏等消除静电，再用手触及。电视机不能摆放在卧室。人们看电视时要打开窗户，同电视机保持2－3米距离，看完之后要洗脸、洗手。生活中防静电小知识

对老人、小孩、静电敏感者、查不出病因的心脏病人、神经衰弱和精神病患者等建议在冬季穿纯棉内衣、内裤，被里、床单、被罩等要用天然纺织物，尽量不要穿化纤质地的服装，以减少静电对人的不良影响。勤洗澡、勤换衣服，能有效消除人体表面积聚的静电。当头发无法梳理服帖时，将梳子浸在水中，等静电消除之后，便可随意梳理了。洗头发时尽量使用润发露或护发素。赤足有利于体表积聚的静电释放。因此，休闲时，不要放过赤足的一切机会。多吃蔬菜、水果、酸奶等酸性食品，多饮水，同时补充钙质和维生素C，以减轻静电影响。例：专门用来运输柴油、汽油的油罐车，在它的尾部都装有一条拖在地上的铁链，对它的作用下列说法中正确的是()A.让铁链与路面摩擦产生静电，使油罐车积累一定的静电B.让铁链发出声音，以引起其他车辆的注意C.由于罐体与油摩擦产生了静电，罐体上的静电被铁链导入大地，从而避免了火花放电D.油罐车的尾部装有拖地的铁链，这是一种时尚【解析】在运输柴油、汽油时，由于上下、左右颠簸摇摆，造成油和油罐的摩擦而产生静电，汽车轮胎导电性能不好，难以把静电导入大地，安装铁链的目的就是避免静电的积累.

汽油为什么不能装在塑料桶里？解释：

塑料桶是采用聚乙烯、聚氯乙烯等高分子绝缘材料做成。汽油属于一级甲类易燃物质。用塑料桶装汽油在灌装、倒出或运输过程中，汽油与塑料桶壁互相摩擦，致使正负电荷出现，产生静电。当积聚的电荷达到一定电压，就可能发生放电产生电火花，引燃汽油发生燃烧或爆炸。因此为了安全，不要用塑料桶装汽油。如果装汽油的桶是铁桶，铁桶具有良好的导电性质，可以使桶内产生的电荷顺着车体传入地下。

雷电产生的原因：

主要是由于云层的相互摩擦。摩擦导致了云层带异种电荷的大量积累。靠近地面的云层中电荷的大量积聚，会使地面因静电感应而引起电荷的集聚。当聚集的电荷达到一定的数量时，在云内不同部位之间或云与地面之间就形成了很强的电场。云层之间、云层与在地面之间形成几百万伏以上的电压。这个电压足可以击穿空气（使空气电离），产生几十万安培的瞬间电流，迸发明亮的火光，叫做闪电；空气受热突然膨胀发出巨响，叫做雷声。

日常生活中，当两条通电导线的接头靠近或者接触时，也会有火花迸出，产生放电现象。

“你知道吗，男孩遭雷击概率超过女孩。”

解释:人体都有静电场，静电场所产生的电压越高，越容易遭到雷击，男孩和女孩生理结构存在不同，导致其静电压存在一定差异，一般来说男孩静电压1000，高于女孩的800，因此男孩遭雷击概率超过女孩。避雷针金属板粗导线导体上的静电荷总是分布在表面上，一般来说是分布不均匀的，导体尖端的电荷特别密集。

避雷针是针状金属物,装在建筑物的顶端，用粗导线与埋在地下的金属板相连,以保持与大地的良好接触.当带电云层接近时，大地中的异种电荷被吸引到避雷针的尖端，并由于尖端放电而释放到空气中，与云层中的电荷中和，达到避雷的目的.●雷雨天，碰到断了的电线千万不要去碰，雷电特别大时，最好单腿蹦着前进，或者双脚并拢向前跳，而不是迈大步奔跑，因为步子越大，所产生的跨步电压就越大，越容易被雷击。●专家指出，发生雷电时，尽可能地关闭各类家用电器，并拔掉电源插头，以防雷电从电源线入侵。●打雷时不要开窗户，不要把头或手伸出户外，更不要用手触摸窗户的金属架。●雷电交加时，勿打手机或有线电话，应在雷电过后再拨打。●若有人遭到雷击，停止呼吸时，应及时进行人工呼吸和外部心脏按摩，并迅速送往医院进行救治。高压电弧触电U高压跨步电压触电高压线

●问：个别建筑物安装了避雷针后仍遭雷击，为什么会出现这种现象？

答：并不是安装了避雷针就万事大吉。一般情况下，避雷针只能避免直击雷直接击中建筑物和保护建筑物内的人身安全。但从各地上报的雷电灾害事故分析，雷灾事故80％是由感应雷造成，雷电可沿电源、电话等金属导体侵入屋内，同样会危及人们的生命及电器、设备的安全。

●问：应如何做好建筑物内部的防雷工作？答：要做好建筑物内部的防雷，就是要在电源、电话、电视、计算机网络等的进线处，安装相应的避雷器，在雷电波侵入时，避雷器就会将雷电流泄放到大地网络版上，避免室内的电器设备等被击坏或烧坏，甚至引起火灾。

闪电也有积极的意义：闪电产生的高温使空气中的氮和氧化合,随雨水降至地面形成硝酸盐.这些硝酸盐是天然的氮肥。闪电过程中产生的臭氧，能保护地球上的生命免受过量紫外线伤害。

我国是一个历史悠久的文明古国，有许多建于避雷针发明之前的古建筑，它们如何辟雷呢？现在，保护世界文化遗产已经成为全人类的共同任务，人们争论的话题是：中国的古建筑有没有辟雷的措施？要不要给古建筑安装现代的辟雷装置？山西应县木塔是我国现存的最高的木结构建筑，900多年来，在开阔的平原上，这座高大的建筑是怎样避免雷击的？近年来，人们对木塔进行了实地考察和高电压模拟。有的研究者认为，木塔的塔基有很好的绝缘性，提出了应县木塔绝缘避雷的说法。

湖北的武当山古建筑群是世界文化遗产之一，在武当山主峰天柱峰上有一座金殿，是我国现存最大的铜铸鎏金大殿。这座金殿最为奇特的是，每逢电闪雷鸣的时候，火球会在金殿周围滚动，但霹雳却击不毁。金殿；雨过天晴后，大殿光彩夺目，像被洗过一样，这就是“雷火炼殿”奇观。后来，因金殿周围的一些建筑物常被雷击，金殿也安装了避雷设施。此后，雷火炼殿奇观消失，没有水火的洗炼，金殿的色泽也黯淡了许多。静电的应用1、静电喷漆2、静电除尘3、静电复印4、静电纺纱5、静电植绒静电喷涂

该技术使用某种方法使涂料粒子带上静电荷，并在被涂工件上加上相反的电压，涂料粒子由于库仑力的作用就被涂到工件上。静电除尘锁住黑烟

静电除尘原理：高压电源的正级接到金属圆筒上，负极接到悬挂在管心的金属线上，它们之间有很强的电场，而且距管心的金属线越近，场强越大。因此，金属线附近的气体分子被强电场电离，成为电子和正离子。在电场力的作用下，正离子被吸引到金属线上，得到电子而成为分子；电子向着金属圆筒正极运动的过程中，附在空气中的尘埃上，使尘埃带上负电，并被吸附到金属圆筒上。尘埃积累到一定程度，在重力作用下落入下面的漏斗中。此装置既可以清洁环境又可回收尘埃中的用用物质。静电除尘静电复印原理：（1）充电：由电源使整个硒鼓表面带上正电荷.（2）曝光：由于硒的光学特性，曝光时硒鼓上只有被字迹挡住的部分还带有正电荷。（3）显影：将带着负电荷的墨粉靠近硒鼓，

带着负电荷的墨粉在电场力作用下将奔