静电学

想知道闪电是如何发生的吗?或者为什么你在黑暗的房间里脱掉毛衣时会看到火花?那你来对地方了。静电学是物理学的一个分支，可以帮助解释这些神奇的现象。这是非常重要的，因为它可以用来解释自然静电现象，并帮助我们了解如何解决这一领域的基本问题。下一个什么?让我们一起探索这个充满有趣现象的世界吧!

的指控在宇宙中所观察到的只有两种:正的和负的。这些电荷以不同的方式相互作用;一般来说，我们可以这么说同种电荷相互排斥彼此,与电荷吸引对方。具体来说，它们以以下方式互动:

$\text{当两个带电物体放在一起时}= \begin{cases} \text{正极-正极}&& \text{排斥}\\ text{负极-负极}&& \text{排斥}\\ text{正极-负极}&& \text{吸引}。\ \ \{病例}结束$

注:费用是守恒的，即费用既不能产生也不能销毁。

现在让我们理解静电学最基本的概念之一:电荷的量子化。

量化的指控：

电荷的量子化是许多人无法理解的一个最基本的原理，根据这个原理，一个电荷只能是一个整数倍数基本电荷的 $e = 1.6\乘以10^{19}\text{C}$．数学上，我们可以说

$Q =不,下午\文本{哪里}n = \ 1 \下午2 \下午3 \ 4,下午\ ldots。$

但这很简单，因为我们知道指控，即质子(+ve)或电子(-ve)，是不可分割的。因此电荷不可能是分数因为质子不能被进一步分解。

但如果我们考虑量子物理学，质子可以进一步分为夸克，它的小数值为 $e$，具体来说是三分之一的比例。但它们总是在一个群体中被发现(作为质子)。

质子(量子模型):英国广播公司

既然我们知道了电荷不可能是一个分数，我们就来熟悉一下力在两位名人的帮助下库仑定律．

库仑定律:

这一定律说明，两电荷之间的力与电荷的乘积成正比，与它们分离的平方成反比。因此,我们有

$F \ propto \ dfrac {q_1q_2} {r ^ 2}。$

现在，我们引入一个比例常数 $k$(库仑常数):

$F=k\dfrac{q_1q_2}{r^2}， \text{where}k =k\dfrac{1}{4\pi\epsilon_0}\approx9\times 10^9。$

在这里,数量 $\ epsilon_0$被称为自由空间介电常数．这个公式给出了力在两个电荷之间的作用。欲知更多详情，请浏览库仑定律．

电场和电场线:

电场线是电场中的假想曲线，如果放置在其中，点电荷会移动。对于正电荷和负电荷，场线是不同的。对于正电荷，电场线无限地向外延伸，并且对于负电荷，电场线似乎是向内的。

围绕正电荷和负电荷的电力线

但当两种电荷相互作用时，情况就不同了。我们可以把它分为两种情况:第一种是两种电荷不同的情况，第二种是两种电荷相似的情况。下面的图片可以帮助你理解它:

不同电荷相互作用时的电力线

但如果我们想量子化电场，我们可以这样做，数学上，

$vec {E} \开始{对齐}\ & = \ dfrac vec {F}} {\ {q} \ \ & = \ dfrac 1{4 \π\ epsilon_0} \ dfrac {q} {r ^ 2}。\qquad (\text{因此电场单位为牛顿/库仑})\end{aligned}$

欲了解更多信息，请访问磁场线和磁场强度．

主要文章:电场的叠加．

宇宙中每一个带电粒子或一个带电粒子系统都会产生电场在自身周围的空间中。这个字段可以用库仑定律．但是，如果空间有两个或多个收费会发生什么？周围地区的电场如何受到影响？叠加原则有助于我们了解这种现象。

叠加原理:

它指出，空间中的每一个电荷在某一点上产生电场，而不受介质中其他电荷的存在影响。合成电场是a向量单个电荷引起的电场的总和。

直线收费:

两项指控 $q_ {1}$和 $q_ {2}$保持在杆的两端 $AB$的长度 $L = 2\text{m}$在真空。由这两种电荷引起的棒子中心的电场的大小是多少 $q_{1} = +10^{-4} C， ?$

$$
$\ dfrac {1} {4 \ pi \ epsilon_ {0}}}}}}} = 9 \ times 10 ^ {9} \ text {nm} ^ 2 / \ text {c} ^ 2$

---

根据叠加原理，每个电荷独立于另一个电荷产生自己的电场。让电场通过 $q_ {1}$和 $q_ {2}$是 $E_ {1}$和 $E_ {2},$分别。利用库仑定律，我们得到
$开始\{对齐}| E_ {1} | & = \ dfrac {q_{1}}{4 \π\ epsilon_ {0} (1) ^ {2}} = 9 \ * 10 ^ {9} \ * 10 ^ {4} = 9 \ * 10 ^ {5} \ \ | E_ {2} | & = \ dfrac {q_{2}}{4 \π\ epsilon_{0}(1) ^{2}} = 9 \ * 10 ^{9} \ * 10 ^{5} = 9 \ * 10 ^{4}。结束\{对齐}$现在, $E_ {1}$和 $E_ {2}$相反的是。它们之间的角度是 $\θ= \π$弧度。因此, $\开始{对齐}| E_ \文本{净}| & = \√6 {E_ {1} ^ {2} + E_ {2} ^ {2} + 2 E_ {1} E_ {2} \ cosθ\}\ \ & = \ sqrt {E_ {1} ^ {2} + E_ {2} ^ {2} - 2 E_ {1} E_ {2 }} \\ &= | | E_ {1} | - - - | E_ {2} | | \ \ \ Rightarrow E_ \文本{净}& = 9 \ * 10 ^ {5}- 9 \ * 10 ^ {4}\ \ & = 81 \ * 10 ^ {4}{(N / C)} \文本。结束\{对齐}$

三角形的电荷:

三个费用 $q_ q_ {1}, {2}$和 $q_ {3}$是放置在等边三角形的顶点的边长 $一个$在真空。找到充电所经历的电力大小 $q_ {3}$．

数据: $q_ {1} = {C} + 10μ\ \文本,\ q_{2} = -10 \μ\文本{C} \ q_{3} = + 2 \μ\文本{C},{米}\ = 3 \文本,\ \ dfrac{1}{4 \π\ epsilon_ {0}} = 9 \ * 10 ^ {9}$

---

让我们考虑对费用的互动 $q_ {3}$把两项指控分开。

让电场由电荷决定 $q_ {1}$和 $q_ {2}$是 $E_ {1}$和 $E_ {2},$分别。

的大小 $E_ {1}$和 $E_ {2}$可以用库仑定律计算: $\ begin {对齐} \ left | e_ {1} \右|＆= dfrac {1} {4 \ pi \ epsilon_ {0}} \ cdot \ dfrac {10 \ cdot 10 ^ {-6}} {3 ^ {2}} {3 ^ {2}}} {3 ^ {2}}} {3 ^ {2}}} {3 ^ {2}}} {3 ^ {2}} {3 ^ {2}} = cdot 10 ^ {-5} = 10 ^ {4} \\ \ lef | e_ {2} \右|＆= dfrac {1} {4 \ pi \ epsilon_ {0}} \ cdot \ dfrac {10 \ cdot 10 ^ {-6}} {3 ^ {2}} {3 ^ {2}}} {3 ^ {2}}} {3 ^ {2}}} {3 ^ {2}}} {3 ^ {2}} {3 ^ {2}} = cdot 10 ^ {-5} = 10 ^ {4}。结束\{对齐}$利用叠加原则，我们有 $\开始vec {E} _{对齐}\ \文字{合成}& = \ vec {E_ {1}} + \ vec {E_{2}} \ \ \左| E_ \文本{合成}\右| & = \ sqrt{\左| E_{1} \右| ^{2}+ \左| E_{2} \右| ^{2}+ 2 \左| E_{1} \右| \左| E_{2} \右| \因为\ dfrac{2 \π}{3 }} \\ &= \ √6{10 ^{8}+ 10 ^{8}- 10 ^{8}}= \√6 {10 ^ {8}}= 10 ^ {4}{(N / C)} \文本。结束\{对齐}$让作用在上面的力 $q_ {3}$是 $F。$然后 $vec {F} \开始{对齐}\ & = q_ {3} vec {E} _ \ \ * \文本{合成}\ \ \左右| F \ | & = q_{3} \左| E_ \文本{合成}\右| \ \ & = 2 \ * 10 ^ {6}\ * 10 ^ {4}= 2 \ cdot 10 ^ {2} {(N)} = 0.02 \文本。\ \ _ \广场结束{对齐}$

试着通过在直线和三角形中应用电荷的概念来解决这个问题。

利用以下基本原理可以计算出板间的电荷分布:

1. 导体内部的电场
   在导体内部的任何一点，电场都等于零。这种现象可以用下述事实来解释:导体上的所有电荷都向导体的外表面移动。

2. 局部电荷守恒
   存在于孤立导体上的电荷守恒，即导体上的净电荷保持不变。

3. 导体电势
   导体的表面是等势面，因为电场是零，而导体的行为就像等势面。

球体中的电荷:

我们来研究空心球中的电荷分布。首先，看看电荷是如何在球体上分布的;通过牛顿壳定理，分布在一个球体上的电荷可以被认为是在球体中心的一个大小相等的点电荷。因此，我们可以认为电场是指向外/向内的，这取决于球体所携带的电荷。

一个带正电的空心球体(来自麻省理工学院)

两个带电板之间的电荷分配：

考虑以下情况:

有两个带初始电荷的板 $Q_1$和 $Q_2,$分别。利用上述规律，结合高斯定律，分别求出两种电荷的内部电荷和外部电荷。

使用规则1，两个板内的净电场应为零，即。 $\vec E = 0:$ $\ begin {senugented} \ oint_ \ gamma \ vec e \ cdot \ mathrm d \ vec a＆= {1 \ over \ epsilon_0} q_ \ text {tranc} \\ 0 = \ oint_ \ gamma 0〜\ mathrm d \ veca＆= {1 \ over \ epsilon_0} q_ \ text {trouch} \\ \ lightarrow q_ \ text {incl}＆= 0. \ end {aligned}$但封闭的费用金额 $q_2 + q_3$．因此 $q_2 = -q_3 = q_ \文本{}\意味着\盒装{q_2 = q_ \文本{},~ q_3 = -q_ \文本在}{}。$

现在,在点 $P,$净电荷是零。由一个大的带电板所产生的电荷为 ${q\ / 2\epsilon_0}}$所以电场在 $P$是 $\ begin {对齐} \ vec {e_1} + \ vec {e_2} + \ vec {e_3} + \ vec {e_4}＆= {q_1 \ over 2 \ epsilon_0} + {q_ {in} \ over 2 \ epsilon_0}- {q_ {in} \ over 2 \ epsilon_0} - {q_4 \ over 2 \ epsilon_0} \\＆0 \\\\\＆\ lettrarrow \ boxed {q_1 = q_4 = q_ \ text {out}}。结束\{对齐}$所以，情况变成了这样:

现在，对这两项指控都使用第二条规则，我们有 $\开始{对齐}q_ \{出}+ q_ \文本{}= Q_1 & \ Rightarrow \盒装{q_ \文本{出}= \ dfrac {Q_1 + Q_2} 2} \ \ q_ \文本{}={出}-q_ \文本Q_2 & \ Rightarrow \盒装文本{}= {q_ \ \ dfrac {Q_1-Q_2} 2}。\ \ _ \广场结束{对齐}$

接地的两个带电板之间的电荷分布

[任何感兴趣的人都可以做]

当电压朝向它时，物体的电荷发生了什么？在物体中存在的电荷可以根据场景的性质在电场的影响下重新排列本身。

极化

当一个不带电的物体置于电场中时，它的电荷会自行重新排列。电子远离电场的方向，而正电荷则向电场方向移动。这种效应被称为极化。这些指控以下列方式排列:

电介质

电容器

静电学是物理学的领域吗电动力学在现实生活中有很多例子。在他们当中，闪电和范德格拉夫发电机是一对，一个是天然的，另一个是人类有史以来最聪明的发明之一。

我们将在下面详细讨论这两者，并希望向你展示科学的绝对之美，尤其是物理学。

闪电

我们都见过闪电。它是天气不太好的时候，天空中的火花。但是，相信我，它并没有看起来那么无聊!从前面讨论的话题我们都知道，两个有电位差的物体总是会引起电荷从较高的物体流动潜在的一个较低的区域。这就是闪电!

在暴风雨或潮湿的天气中，云层之间以及云层和地面之间的空气会部分变薄离子化，即允许负责流过它，与我们在热风风雨中的中性空气不同。因此，这导致两个表面之间开发的潜在差异，这进一步导致电荷流动，因此以触电以α形成电击曲折的弹．这种突然放电的发生是因为两个物体都具有非常多的电荷，因此它们变得非常不稳定，因此它们通过这个过程达到平衡。

现在，最基本的问题是，“为什么走之字形?”

原因很简单。最小路径电阻是闪电中每一次冲锋的动机。此外，整个大气随湿度而变化，温度，压力而不是我们沿着它移动。这导致了它的电阻的波动，因此它的路径永远不会是直的，但这是一个可能的数以百万计的可能性，闪电可能已经采取了!

范德格拉夫发电机

我们列表上的下一个应用是令人惊异的范德格拉夫发电机。在我看来，它是人类最伟大的发明之一，但它的原理很简单。

想象一下:你想创造一个非常高的潜在的物体与周围环境之间的势垒或很高的电位差。如果你用传统的方法从物体外部积累电荷，它会得到真的越来越难，因为你不得不面对越来越多的排斥。克服这一问题，并创造出大的电位差，可用于各个领域;例如，在加速一个亚原子粒子时，我们使用这个装置。

老实说，Van de Graaff生成器的工作非常酷。我们使用的是运动的原理电荷从高电势到低电势。在上面的图表中，您可以看到一个指向的对象D在底部和一个尖的物体E在顶部。这些被称为刷子，它们有助于收集或储存电荷。

画笔D在绝缘和旋转的薄片上沉积一个正电荷，然后将这个电荷传送到电刷E，这反过来让电荷流过它，并最终沉积在更大的球体上。这样，我们就能产生百万伏特的电位差，只有当我们达到击穿电压仪器周围的环境。

现在出现了问题，“为什么我们不会面对类似的剧烈？”

这是一个完全符合逻辑的假设，但问题是，现在，我们传输的电荷不是与更大的球体上的电荷相反(因为它所有的电荷都在它的表面)。此外，通过一些数学操作，你可以清楚地表明更大的球体的潜力总是如果是正电荷的情况下，大于内滑轮。

最后，如果你有一点点兴趣，我强烈建议你去看看这收集静电实验和麻省理工学院教授的讲座，他非常擅长他的工作。(相信我!: P)

1. 静电互动
2. 电头发
3. 静电感应
4. 电荷转移
5. 静电学和万有引力
6. 电场
7. 将静电力排序
8. 闪电会伤害你
9. 两个带电粒子
10. 电荷之间的相互作用

其他参考资料:美联社物理