[概念阐释]

    一、电荷和库仑定律(§10-1)

    1. 电荷

    (1)  电荷的基本特征:要对电荷下一个简单而明确的定义,似乎有一定的难度。所以大家不得不从电荷的基本特征来说明电荷到底是什么。

    a)  电荷只有两种,即正(+)电荷和负(-)电荷。这个结论是从电荷之间的相互作用只有相斥和相吸两种情况推得的。那么怎样的电荷是正电荷,怎样的电荷是负电荷呢?历史上曾规定,用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷为正电荷,用毛皮摩擦过的硬橡胶棒所带的电荷为负电荷。但是更准确地,应该用质子所带电荷来规定正电荷,用电子所带电荷来规定负电荷。

    b)  电荷是量子化的,任何物体所带电荷的量不可能连续变化,只能一份一份地增加或减少,这种性质称为电荷的量子化。电荷的最小份额称为基本电荷或元电荷,常用e表示。

    c)  微观粒子所带电荷普遍存在一种对称性,即对于每一种带正电荷的微观粒子,无一例外地,必然存在与之相对应的、带等量负电荷的另一种微观粒子,这两种粒子互为反粒子。

    d)  遵从电荷守恒定律。

    e)  电荷是相对论性不变量,即粒子所带电量与它的运动速率无关。

    (2)  点电荷的概念:点电荷是电学中的一个重要概念,它在电学中的地位,与质点在力学中的地位相似。在理解和运用这一概念时,应注意以下几点。

    a)  带电体可看作为点电荷是有条件的。

    在讨论带电体之间的相互作用时,各带电体自身的线度比起它们之间的距离小得多,那么这些带电体可以看作为点电荷;

    在讨论电场中一场点的性质时,产生此电场的带电体(场源带电体)自身的线度比起场点到此带电体的距离小得多,那么此场源带电体可以看作为点电荷。

    b)  点电荷是一个宏观范围的理想模型,面电荷、线电荷和电偶极子等都属于这类模型。每一个可视为点电荷的带电体,总包含了大量微观带电粒子。但是任何微观带电粒子却不一定能满足点电荷条件而被看为点电荷。

    c)  脱离以上两点来使用点电荷的概念,则会误认为点电荷是带有一定电量的几何点。实际上,带有一定电量的几何点是不存在的。下面讨论高斯定理时大家还将涉及这个问题。

    2. 库仑定律

    表示了两个电荷之间的静电相互作用,是电磁学的基本定律之一。关于这个定律的表述及其数学形式,读者已经十分熟悉了,此不赘述。这里大家想指出以下几点。

    a)  库仑定律是表示在真空中两个静止的点电荷之间相互作用的规律,读者应特别注意“真空中”、“静止”和“点电荷”三条。这三条是库仑定律的适用条件。

    b)  电荷之间的相互作用是通过电场传递的。点电荷q1对点电荷q2的作用力是通过q1在自己周围空间激发的电场来传递的;而点电荷q2对点电荷q1的作用力则是通过q2在自己周围空间激发的电场来传递的。

    c)  库仑定律揭示了静电力遵从平方反比律,这就是说,两个静止的点电荷之间的相互作用与它们之间距离的平方成反比。这一规律预示着静电场具有与万有引力场相似的性质,这一性质由下面的高斯定理所描述。所以,库仑定律与高斯定理具有内在联系。

    d)  关于库仑定律的有效作用范围的问题,长期以来人们不断对此进行研究,得到的结论是,在10-15 m ~ 103 m或更大尺度上,库仑定律是准确、可靠的。

    e)  在库仑定律中暗含着静电力具有两体力这一性质,故满足叠加原理。并由此得到电场强度满足叠加原理,电势满足叠加原理等一系列重要结论。这里让大家看看,什么是两体力和静电力是如何满足叠加原理的?

    在库仑定律

                         

中,如果保持q2不变,而将q1增大数倍,则F12也将增大同样的倍数。这一事实表明,在库仑定律中暗含着电荷在效果上是可加的。既然电荷具有可加性,则可将q2分为q2¢q2²,并都放置在q2所在的位置上。上式可以写为

        ,

这表示,两个电荷(q1q2¢ q1q2²)之间的库仑力不因第三个电荷(q2²q2¢)的存在而改变,所以在库仑定律中也暗含着静电力具有两体力性质并满足叠加原理的结论。

       
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