靜電學

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簡介

電子學有兩類研究：一類是電荷靜止時的研究，另一類是電荷運動時的研究。那麼，什麼是電荷呢？電荷是基本粒子的一種屬性，由於這種屬性，這些粒子會施加或受到吸引力或排斥力的作用。電荷有兩種型別，正電荷和負電荷。此外，還存在一個自然特徵或屬性，根據這個特徵，我們可以說，當兩個相同電荷具有相同的數量級但性質相同時，它們會相互排斥，反之亦然。因此，同性相斥，異性相吸。靜電的概念闡述了電荷在靜止狀態下的一切屬性。根據靜電學，當電荷靜止時，它只與電場相關聯。

靜電學是什麼意思？

靜電學是物理學的一個分支，我們研究其中靜止電荷的性質。那麼，什麼是電荷呢？電荷是任何基本粒子的屬性，因為如果該粒子對另一個粒子施加或受到電力的作用。測量電荷的標準單位是庫侖，它是一個標量。在這個分支中，我們關注靜止的電荷，或者我們可以說緩慢運動的電荷。由於電荷靜止或緩慢移動，它只顯示電效應，沒有磁場。當我們研究靜止的電荷時，它在我們的日常生活中也有很多應用。

• 我們在揚聲器、噴漆、煙囪中的飛灰收集等方面應用了吸引和排斥的概念。

• 此外，靜電覆印機和陰極射線管也是基於靜電學的。

什麼是電荷？

電荷是任何微小或基本粒子的屬性。基本粒子，如電子、質子等，是任何物質的主要粒子。根據定義，我們可以說，基本粒子的這種屬性導致了這些粒子之間存在的電吸引力或排斥力。電荷有兩種型別：正電荷和負電荷。人們之間也存在一個疑問，即正電荷是否比負電荷更高或更強，但這只是一個神話。正電荷和負電荷都是電荷的屬性，強度取決於數量級，如果負電荷的數量級更大，則負電荷將更強，反之亦然。

電荷是一個標量，其標準測量單位是庫侖。一個電子的電荷被認為是電荷的標準數量級。

$$\mathrm{e=1.6\:\times\:10^{-19} C}$$

質子帶正電，電子帶負電。因此，當一個原子具有大量或相等數量的質子和電子時，整個系統在電上是中性的。電荷具有三個基本屬性

• 可加性

• 量子化

• 守恆

電場線

邁克爾·法拉第引入了電場線的概念來理解和視覺化電場的性質。根據定義，電場線是曲線，當一個小正電荷在靜電力作用下自由移動時，它可以沿著這些曲線移動。當我們畫出這條曲線上任意一點的切線時，它將給我們源電場的方向。電場線的一些性質

• 這些電場線是連續的曲線。

• 這些電場線從正電荷端開始，並在負電荷所在的位置閉合。

• 當我們在一條線的任意一點畫一條切線時，它將給出該點處電場線的方向。

• 任意兩條線不能相交。

• 場線總是垂直的。

• 導體內部不存在電場，因此在導體內部找不到這些場線。

• 如果電場線靠得很近，則表示場強。其次，當場線之間有很大的間隙時，表示場弱。最後，當線平行時，場是均勻的。

庫侖靜電定律

庫侖靜電定律是由查爾斯·奧古斯丁·庫侖於 1785 年提出的。他透過實驗測量了兩個帶電粒子之間的電力。

根據該定律，當兩個電荷靜止並受到吸引或排斥時，它們之間的電力將為

• 與兩個電荷的數量級或值的乘積成正比。

• 與這兩個電荷彼此分離的總距離的平方成反比。

圖 1：庫侖靜電定律

使用者：Dna-Dennis，庫侖定律，CC BY 3.0

現在，我們有兩個電荷 $\mathrm{q_1}$ 和 $\mathrm{q_2}$，這兩個電荷彼此分離的距離為 r。現在，使用庫侖靜電定律，這兩個電荷之間的力為

$$\mathrm{F\:\varpropto\:q_1 q_2}$$

$$\mathrm{F\:\varpropto\:\frac{1}{r^{2}}}$$

因此，

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

當我們去除比例符號時，我們使用常數 k，稱為靜電力常數。

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

這裡，$$\mathrm{k=\frac{1}{4\pi \varepsilon_0}}$$

$$\mathrm{k=9\:\times\:10^9 Nm^{2} C^{-2}}$$

因此，

$$\mathrm{F=\frac{1}{4\pi \varepsilon_0}.\frac{q_1 q_2}{r^{2}}}$$

由此，

一庫侖電荷的另一種定義可以定義為：當兩個電荷在真空中相距一米時，一個電荷對另一個相同數量級的電荷施加的排斥力為 $\mathrm{9\:\times\:10^9\:N}$ 的電荷量。

電通量

簡單來說，我們可以說通量是流動。如果我們談論的是電通量，則意味著電場線的流動。根據定義，電通量是指穿過電場內特定區域的電場線的總數。

圖 2：電通量

電通量的公式

$$\mathrm{\Delta \Phi_E=E \Delta S \: cos \Theta}$$

$$\mathrm{\Delta \Phi_E= \overrightarrow{E}.\Delta \overrightarrow{S}}$$

電通量的標準單位是 Vm。

電勢

電勢可以定義為電場中任意一點的電勢，即指將位於無限遠處的一個單位正電荷移動到所需位置所需的功的量度，而運動是針對由電場引起的靜電吸引力或排斥力進行的。

因此，

$$\mathrm{電勢 =\frac{所做的功}{電荷}}$$

電勢的標準單位是伏特 (V)。

結論

在以上各節中，我們學習了靜電學的各種術語以及兩個帶電粒子之間靜電力的普遍定律。在這裡，我們還了解到，靜止的電荷對我們來說非常有用，就像電流一樣。

常見問題

Q1. 為什麼導體內部沒有電場線？

答：這是因為導體內部不存在電場，我們都知道電荷總是停留在導體的表面。

Q2. 電場概念的優勢是什麼？

答：利用這個概念，我們可以確定電荷或電荷對該點另一電荷的作用力。

Q3. 電荷的量子化是什麼意思？

答：電荷的量子化表明物體的電荷不能是分數。粒子上的電荷值始終為整數

$$\mathrm{q=ne}$$

Q4. 電荷是如何相互作用的？

答：當一個電荷的電場對另一個電荷施加力，反之亦然時，這兩個電荷會相互作用。

Q5. 電荷守恆是什麼意思？

答：電荷守恆定律表明，無論發生任何電荷的增加或減少，系統的總電荷都將保持不變。