问题导入

远在公元前600年，希腊人泰勒斯（Tha1es，前624—前546）就发现用毛皮摩擦过的琥珀能吸引一些像绒毛、麦秆等轻小的物体，如图6-1-1所示。那时的人们无法解释这种现象，只好说：琥珀中存在一种特殊神力。你能解释这种现象吗？

图6-1-1　摩擦过的琥珀吸引纸屑

1.库仑定律

演示实验

撕一些碎纸屑放在桌面上，将钢笔、圆珠笔或签字笔的塑料杆在头皮上摩擦几下，再将它靠近碎纸屑，会有什么现象发生？

研究发现，自然界中存在着两种电荷，一种是正电荷，另一种是负电荷。物体所带电荷的多少叫作电荷量，用Q（或q）表示，国际单位是库仑（C），简称库。

物体所带电荷是由电荷量一定的基本电荷组成，这种基本电荷用e表示，电荷量e=1.6×10-19C。一个质子带正电荷e，一个电子带负电荷-e。任何带电体所带电荷量都是e的整数倍。

正常状态下，物体是中性不带电的，其正、负电荷量的代数和为零，无论是摩擦起电还是感应起电，本质上都是使微观带电粒子（如电子）在物体之间或物体内部转移，而不是创造出了电荷。大量事实表明，电荷既不会创生，也不会消灭，它只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分，在转移过程中，电荷的总量保持不变。这个结论叫作电荷守恒定律。

演示实验

如图6-1-2甲所示，将两个小通草球（或表面涂有石墨的泡沫塑料小球）用丝线悬挂起来，用丝绸摩擦玻璃棒，使玻璃棒带电，并把玻璃棒上带的电传递给一个小球，然后使两个小球接触，带上同种电荷，可以看到什么现象？

如图6-1-2乙所示，将另外两个小球悬挂起来，并使它们分别带上正电荷和负电荷，又可以看到什么现象？

图6-1-2　电荷间的相互作用

实验证明，静止的电荷间存在相互作用力，叫作静电力。同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。

带电物体都具有一定的形状和大小，而且电荷在带电体内部不一定均匀分布，研究两个带电体的相互作用时，如果带电体自身的大小比它们之间的距离小得多，带电体的形状和电荷在其中的分布对相互作用力的影响可以忽略不计，此时可以把带电体看成带电的点，叫作点电荷。点电荷是一个理想模型。

1785年，法国物理学家库仑在大量实验基础上研究得出：在真空中，两个点电荷间的相互作用力F，跟它们的电荷量Q1、Q2的乘积成正比，与它们间的距离r的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上。表示公式为

这就是库仑定律。在国际单位制中，力的单位用牛顿（N），距离的单位用米（m），电量的单位用库仑（C），k=9×109牛·米2/库仑2（N·m2/C2）。

【例题1】两个点电荷，电量分别为Q1=-6.0×10-9C，Q2=5.0×10-9C，在真空中相距50cm，求它们各自所受的静电力。

解：Q1=-6.0×10-9C，Q2=5.0×10-9C，k=9×109N·m2/C2，r=0.5m

根据得每个电荷受到的静电力大小

答：因为两个电荷是异种电荷，故它们间的相互作用力是引力，即每个电荷都受到对方大小1.08×10-6N的引力。

STS

静电的应用与危害

在天气干燥的日子里，你与人握手、触摸金属器具、脱化纤衣服时，会感觉到有一股“魔力”把你“猛击”一下，夜间还可能闪出火花。这就是静电在作怪。

在生产生活实践中，静电现象得到了广泛应用。例如，静电复印、静电植绒、静电传送、静电喷涂、静电除尘等。

激光打印机就是利用静电来实现打印的。如图6-1-3所示，当使用者通过计算机应用程序下达打印指令时，激光打印机从“充电”开始，先在感光鼓上充满负电荷或正电荷，然后将处理好的图文资料通过激光束照射到感光鼓上，感光鼓表面被激光照射到的地方电荷被释放，没有照到的地方仍然带有电荷，在鼓上形成与图文对应的潜像，即“曝光”。让碳粉匣中的碳粉带电，当快速转动的感光鼓上的静电潜像表面经过碳粉匣时，便会吸附带电的碳粉，“显像”出图文影像。纸张进入机器内部后，带有与碳粉性质相反的电荷，由于异性电荷相互吸引，感光鼓上的碳粉就“转像”到纸张上，碳粉在高温下固定在纸张上，然后将感光鼓上残留的碳粉“清除”，最后还要除去静电，使感光鼓回复到初始状态，以便开始下一个工作循环。

图6-1-3　激光打印机工作原理

当然，静电也会给人类带来一些危害。长期处在静电环境中，人会有精神疲劳、头晕目眩等不良反应；静电现象可能造成设备失控、产品报废等，也可能造成火箭意外爆炸，还可能使汽油着火引发事故。

2.电场强度

（1）电场

19世纪30年代，法拉第提出一种观点，认为电荷周围存在着一种特殊的物质，叫作电场。只要有电荷存在，电荷周围就存在着电场。电荷之间的相互作用力是通过电场发生的，这种力叫作电场力。

电场具有两种重要性质：一是对放入其中的电荷有力的作用；二是电荷在电场中移动时，电场力对电荷做功。(www.daowen.com)

静止电荷产生的电场，叫作静电场。产生电场的电荷叫场源电荷。

（2）电场强度

为了研究电场的特性，我们用试探电荷q（q很微小，它的移入不会影响原来电场的分布）在电场中的受力情况来研究静电场的性质。假设在真空中有一个+Q形成的电场（如图6-1-4所示），将试探电荷q放在电场中不同的位置上（例如图6-1-4中A、B、C），发现q所受电场力的大小和方向逐点不同。这说明电场中不同的位置，电场的强弱、方向是不相同的，为此引入“电场强度”这一物理量。放入电场中某点的电荷，所受的电场力与其电量的比值，叫作这一点的电场强度，用E表示。电场强度的定义式为

图6-1-4　试探电荷在电场中受力

电场强度的国际单位是牛顿/库仑（符号N/C）。电场强度是矢量，不仅有大小，而且有方向。电场强度的方向规定为正电荷在该点所受静电力的方向。按照这个规定，负电荷在电场中某点所受电场力的方向跟该点的电场强度方向相反。

电场强度在数值上等于单位电荷在电场中某点受到的电场力。如果我们知道了电场中某点的电场强度E和放入该点的电荷的电荷量q，由

F=qE

就可以计算出电荷在该点受到的电场力的大小。

对于电场中的不同点，E越大，放入电场中的同一电荷受到的电场力就越大。因此，电场强度E从力的角度描述了电场的性质，反映了电场的强弱。

【例题2】电场中某点的电场强度为6×102N/C，电荷量为5×10-8C的点电荷在该点受到的电场力是多大？

解：E=6×102N/C，q=5×10-8C，根据F=qE得，电荷所受电场力的大小

F=6×102×5×10-8N=3×10-5N

答：这个电荷受到的电场力为3×10-5N。

（3）点电荷的电场强度

点电荷是最简单的场源电荷。设一个点电荷的电荷量为Q，与之相距r的试探电荷的电荷量为q，根据库仑定律，试探电荷所受的力为

再由电场强度的公式可以得到在点电荷Q产生的电场中电场强度的计算公式：

这个式子表明，在点电荷产生的电场中，任意一点电场强度E的大小跟场源电荷所带电荷量Q成正比，跟该点到场源电荷距离r的二次方成反比。电场强度的方向在这一点与Q的连线上。

（4）电场线

为了形象地描绘电场中各点电场强度的大小和方向，英国物理学家法拉第提出用电场线来表示电场的方法。即在电场中画出一系列从正电荷出发到负电荷终止的曲线，使曲线上任何一点的切线方向都与该点的电场强度方向一致，这些曲线就叫作电场线，如图6-1-5所示。

图6-1-5　电场线

电场线是电场中假想的一系列有方向的曲线，不是客观存在的物质。电场强度越大的地方电场线越密，电场强度越小的地方电场线越稀。任意两条电场线都不会相交。图6-1-6是几种常见电场的电场线分布形状。

图6-1-6　常见电场的电场线

（5）匀强电场

在电场的某一区域里，如果各点电场强度的大小和方向都相同，这个区域里的电场就叫作匀强电场。

在匀强电场中，由于各点的电场强度的大小和方向都相同，匀强电场的电场线是一些疏密程度均匀分布、互相平行的直线。两块大小相等、相距很近的平行金属板，在分别带等量异种电荷的时候，它们之间的电场，除边缘附近外就是匀强电场，如图6-1-6（e）所示。同一电荷在匀强电场中各点所受电场力的大小和方向都是相等的。

习　题

1.电场强度是如何定义的？

2.分析静电场中正、负电荷的受力方向与电场方向的关系。

3.请分别画出独立点电荷周围两平行金属板之间的电场线。

4.原子中，电子和质子的平均距离是5.3×10-11m，质子在到它这个距离的位置产生的电场强度是多大？方向如何？在此处的电子受到的静电力是多大？方向如何？（质子带正电，带电量为+e）

5.电量为2×10-8C的负电荷放在电场中的某一点，受到来自场源电荷5N的排斥力，请问：产生电场的电荷是正电荷还是负电荷？负电荷所在点的电场强度是多大？