電力

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引言

電磁學是物理學最重要的分支之一。在我們日常生活中看到的力中，除萬有引力外，所有力都是電磁力。除了萬有引力（包括金屬絲的張力、表面的垂直力和摩擦力）之外，我們生活中遇到的所有力都是原子間出現的電磁力。

任何中性物質都具有相同數量的電子和質子。如果最外層的電子離開原子，它就變成自由電子並引起電流。失去外層電子的原子具有更高的正電荷。當一個物體摩擦另一個物體時，粒子會從一個物體遷移到另一個物體。

電力

電荷之間的電力有兩種。

一種是吸引力，另一種是排斥力。同性電荷相互排斥；異性電荷相互吸引。電荷之間的力稱為電力。這種力屬於非接觸力。因為這種作用無需電荷相互接觸。電荷周圍能夠感受到其電荷作用的區域稱為電場。作用在小正電荷上的力的方向稱為電場方向，並用電力線表示。電力線是在電場中均勻電荷趨於移動的方向上繪製的直線或曲線。它們是假想的線。

圖2. 電荷的性質

你如何定義電力？

電力與電荷的乘積成正比，與它們之間距離的平方成反比。兩個點電荷之間的靜電力遵循牛頓第三定律。作用在一個電荷上的力作為反作用力，作用在另一個電荷上的力作為相反的反作用力。

電力的強度取決於什麼？

電力取決於任意兩個電荷點之間的距離和點粒子上的電荷的乘積。但在牛頓第三定律中，萬有引力等於點質量的乘積。因此，牛頓第三定律和庫侖定律之間存在一些重要的差異。

什麼是庫侖定律？

電力與粒子電荷的乘積成正比，與它們之間距離的平方成反比。

     圖3. 兩個點之間的庫侖力

$$\mathrm{F\:\alpha\:\frac{{q_1}{q_2}}{r^2}}$$

1786年，庫侖提出了在自由空間中兩個靜止點電荷之間力的方程。考慮兩個靜止的點粒子，它們在真空中相隔距離r，電荷分別為$\mathrm{q_{1}}$和$\mathrm{q_{2}}$。根據該定律，作用在點電荷$\mathrm{q_{1}}$上的點電荷$\mathrm{q_{2}}$的力寫為

$$\mathrm{\overrightarrow{F_{21}}=k\frac{q_{1}q_{2}}{r^{2}}\widehat{r_{12}}}$$

其中$\mathrm{\widehat{r_{12}}}$是從$\mathrm{q_{1}}$到$\mathrm{q_{2}}$的單位向量，k是比例常數。

重要性質

• 庫侖定律與牛頓萬有引力定律具有相同的結構。在這兩種情況下，力都與距離的平方成反比。

• 兩個物體之間的萬有引力總是吸引力。庫侖力是吸引力或排斥力，取決於粒子的性質。

• 萬有引力常數的值為$\mathrm{G=6.626\times 10^{-11}Nm^{2}kg^{-2}}$。但庫侖常數的值$\mathrm{k=9\times 10^{9}Nm^{2}C^{-2}}$。庫侖定律中的'k'遠大於G的值。因此，對於質量較小的物體，靜電力遠大於萬有引力。

• 無論質量是靜止還是運動，萬有引力都保持不變。但是，當粒子運動時，另一個力（洛倫茲力）開始與庫侖力一起作用。

• 庫侖定律僅適用於點電荷粒子。但點粒子只是一個概念，實際上不可能實現。如果粒子的尺寸與它們之間的距離相比非常小，我們可以使用該定律。

• 兩個物體之間的萬有引力與它們所處的介質無關。例如，作用在兩個1公斤質量之間的萬有引力值不會改變，無論它們是放在空氣中還是水中。但作用在兩個電子之間的靜電力取決於它們所處介質的性質。

電力的公式是什麼？

庫侖定律給出了電力的公式，其表示式為

$$\mathrm{F\propto \frac{q_{1}q_{2}}{r^{2}}}$$

$$\mathrm{F=k \frac{q_{1}q_{2}}{r^{2}}}$$

$$\mathrm{F=\frac{1}{4\pi \epsilon _{0}} \frac{q_{1}q_{2}}{r^{2}}}$$

F - 電力

$\mathrm{q_{1}q_{2}}$ - 粒子的電荷

k - 常數($\mathrm{\frac{1}{4\pi \epsilon _{0}}}$)

r - 電荷之間的距離

電力示例

• 大約兩千年前，古希臘人發現一種叫做琥珀（一種半透明的樹脂化石）的物質，用動物皮毛或羊毛摩擦後會吸引樹葉和灰塵。所以琥珀具有帶電的特性，也就是說，當它被其他物體摩擦時會產生電力。

• 用幹梳子梳理頭髮並靠近一小片紙時，頭髮會帶電。氣球摩擦我們的手後會粘在牆上，沒有任何摩擦力。在以上所有操作中，當一種物質摩擦另一種物質的表面時，它們會帶電並透過電力相互吸引。

• 用絲綢摩擦玻璃棒也會發現它會吸引紙片。因此，即使是用合適的材料摩擦的玻璃棒也會帶電，它透過電力吸引紙張。

• 當帶電的玻璃棒靠近摩擦過的橡膠棒時，它們會相互吸引。同時，如果帶電的玻璃棒靠近另一個帶電的玻璃棒，則會看到它們相互排斥。從這些觀察結果可以得出以下結論：

• 橡膠棒獲得的電荷與玻璃棒獲得的電荷不同。

• 帶電的橡膠棒排斥另一個帶電的橡膠棒。由此可以看出，同性電荷相互排斥。

• 帶電的橡膠棒吸引帶電的玻璃棒。由此可知，玻璃棒上的電荷和球體上的電荷型別不同，異性電荷相互吸引。

結論

透過 J.J. 湯姆森和 A. 盧瑟福等科學家在 19 世紀末和 20 世紀初進行的開創性研究，已知原子是電中性的。除了萬有引力（包括金屬絲的張力、表面的垂直力和摩擦力）之外，我們生活中遇到的所有力都是原子間出現的電磁力。電荷之間的電力有兩種。一種是吸引力，另一種是排斥力。同性電荷相互排斥；異性電荷相互吸引。電荷之間的力稱為電力。這種力屬於非接觸力。1786 年，庫侖提出了在自由空間中兩個靜止點電荷之間力的方程。

常見問題

Q1. 定義電動勢。

A1. 電池和其他電源充當電阻器，推動電荷使其流過導線或導體。電源的這種推動作用是由它們的電動勢 (emf) 完成的。在電路中，它相當於單位電荷繞電路一週所做的功。

Q2. 什麼是電力線？

A2. 電力線是一系列繪製的線，用於顯示空間中某點的電場。電力線始於正電荷，終止於相反的電荷或無窮遠。

Q3. 解釋微波爐的工作原理。

A3. 微波爐的工作原理是作用在電偶極子上的力矩。我們知道，我們食用的食物中的水分子是穩定的電偶極子。該產品產生的微波是振盪的電磁波。因此，它們對水分子施加扭轉力。

Q4. 為什麼家用電路中使用銅線？

A4. 銅導體的電阻非常低。因此，家用電路中使用銅線。這些導線周圍的材料具有較高的電阻。

Q5. 磁場的例子是什麼？

Ans. 將一塊磁鐵放在桌子上，並在其附近放置一些鐵質回形針。緩慢地將磁鐵移向回形針，直到回形針吸附在磁鐵上。從上述現象可以看出，磁鐵周圍存在一個無形的磁場。