ARTICLE · 1051361
高中物理《静电场》§9.1 :电荷 库仑定律
其实，人类研究电现象和磁现象的历史与力学研究同样丰富多彩，但电和磁的世界比机械运动的世界更加错综复杂。
从静电场开始，我们将进入更有趣的电和磁的世界。通常把与相对观察者保持静止的电荷所产生的电场称为静电场。静电学就是研究静电场的科学,主要包括真空中的静电场和有介质时的静电场两大部分。为了描述静电场的性质,首先介绍两个基本的物理量:电场强度和电势。在此基础上再介绍静电场对电荷的作用—电场力，及其做功与电势能的关系。
§9.1 电荷 库仑定律
知识点1 电荷
自然界中产生电磁现象，归因于物体带了电荷以及这些电荷的运动，通过对电荷的各种相互作用和效应的研究，人们认识到电荷的基本性质。
1. 电荷
电荷：自然界中的电荷有两种，美国物理学家富兰克林首先以正电荷、负电荷的名称区分两种电荷。同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。迄今为止，人们已经完全认识到自然界的实体物质大多是由原子构成的，而原子是由电子、质子、中子等基本粒子构成的，其中电子带负电荷、质子带正电荷、中子不带电荷。
原子结构示意图
电荷量：带电体所带电荷的多少叫作电荷量（或电量），用或表示，在国际单位制中，它的单位是库仑，简称库，符号是。正电荷电量取正值，负电荷电量取负值，带电体所带总电荷量为其所带正负电量的代数和。带电体电量为表示带正，电量为表示带负电。
不带电是指正、负电荷量相等，不是说没有电荷。
电荷的量子化：在经典物理中，电子是最基本的、也是不可再分的带电粒子，因此，电子在转移的过程中，只能是整数个电子的转移，由此可知，任何一个物体如果带电，其电荷量只能是一个电子所带电荷量的整数倍，这种现象被称为电荷的量子化。人们把带最小电荷量的电荷叫作元电荷，用符号表示，电子的电荷量就是。一个物体所带电量为，式中被称为电荷量子数，为元电荷的电荷量数值。
元电荷最早由美国物理学家密立根用油滴实验测得，
比荷：电荷量与质量之比，叫作比荷，比荷是一个重要的物理量。电子的质量，所以电子的比荷为：
电子的比荷最早由英国物理学家约瑟夫·汤姆生测出
2. 起电方式
一个不带电物体变为带电体的过程称为起电，常见的起电方式有以下几种：
摩擦起电 人们对电的认识最初来源于摩擦起电。不同的两个物体，例如玻璃棒与丝绸、橡胶棒与毛皮，经过相互摩擦后都能吸引轻小的物体，如纸屑等。 ①丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷为正电荷； ②毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷为负电荷。
*摩擦起电的本质：玻璃棒与丝绸摩擦，玻璃棒上之所以带正电，是因为玻璃棒上的电子在摩擦的过程中转移到了丝绸上，因此，玻璃棒上的电子数目小于质子数目，玻璃棒就呈正电，丝绸因得到电子而呈负电；同理，橡胶棒与毛皮摩擦，橡胶棒上之所以带负电，是因为毛皮上的电子在摩擦的过程中转移到了橡胶棒上，因此，橡胶棒上的电子数目大于质子数目，橡胶棒就呈负电，毛皮因失去电子而呈正电。
接触起电 假设两个可带电的物体，起初一个带电，一个不带电，现将两个物体接触一下再分开，并利用验电器可以检验出两个物体此时均带电，且为同种电荷。
就起初不带电的物体而言，在与带电的物体接触时，两个物体在保持接触的时刻，它们实际上构成了一个新的物体，由于这个新物体上的电荷要重新分布，使得原来不显电性的物体显电性，很自然，当两个物体分开时，原来不带电的物体就带电了。
两物体不一定带等量电荷，电荷分布遵循一定的规律，与物体自身形状有关，将在后面讲到。
两个相同的金属球壳接触，由于是同种电荷的重新分布，且形状相同，因此，被分开的两个物体自然带同种等量电荷。可用金箔验电器判断物体是否带电；或者在物体表面贴上金箔，根据金箔张开/闭合情况判断是否带电，金箔张开表示物体带电。
感应起电 假设两个相互接触、且不显电性的物体放置在一个带电物体的附近。由于静电感应，这两个物体上的电荷由于受到带电物体上的电荷的作用（同性相斥、异性相吸），因此在靠近带电物体端出现与带电物体上电荷相反的电荷，在远离带电物体一端出现与带电体上电荷相同的电荷，即电荷重新分布，但总的电荷代数和为零。此时，若先将这两个物体分开，再移去带电物体，会发现，被分开的两个物体均带上了电，且为等量异种电荷。
*金箔验电器是一种检验物体是否带电的简单仪器，其主要部分是一根导电的金属杆，上端有金属小球，下端有可张开或闭合的两金属箔片。当带电体与金属小球接触时，一部分电荷通过金属杆传到金属箔片上，若物体带电，两金属箔片会因带同种电荷而互相排斥张开；若物体不带电，金属箔片则不会张开。此外，也可以通过将质量很轻的物体（例如纸片、头发）放在待检验物体周围，如果被吸引则带电，不被吸引就不带电，但这种方法不如使用验电器准确。
金箔验电器
3. 电荷守恒
仔细分析会发现，无论是摩擦起电、接触起电，还是感应起电，各个过程电荷既不会凭空产生，也不会凭空消失，电荷只是由一个物体转移到了另一个物体(或由一个物体的一端转移到了另一端)，总的电荷数目保持不变，我们把这种现象称为电荷守恒定律。由于正电荷在原子核中，不能转移，实际转移的是负电荷（即电子）。
知识点2 点电荷 库仑定律
1. 点电荷
库仑定律是关于真空中两个点电荷之间相互作用的定律。要了解库仑定律，首先要了解什么是点电荷。
所谓点电荷是指：相互作用的带电体本身的几何尺寸与它们之间的间距相比可以忽略不计，即带电体本身的几何尺寸、电荷分布等因素对用库仑定律处理问题的结果影响不大，这样的带电体就称为点电荷。
不是带电体几何尺寸很小就可以当点电荷处理，也不是带电体几何尺寸比较大就不能当点电荷处理。一个带电体能否被认为是点电荷，要根据具体问题具体处理。
2. 库仑定律
法国科学家库仑通过1770年开始的著名扭称实验，于1785年确定了一个试验定律，称为库仑定律，此定律构成了静电学的基础。
1）条件：真空中静止的点电荷。
2）内容：两个点电荷的之间的作用力称为库仑力，库仑力的大小与两电荷的电荷量成正比，与两电荷间距的平方成正比，即：
是静电力常量，其大小和单位由库仑定律公式中的其他量决定。在国际单位制中，的单位是，的单位是，的单位是，故的单位为:。实验测得: 。由于静电学中的其他公式是由库仑定律推导出的，为了以后方便，通常用一个基本常量代替，关系为，称为真空中的介电常数。
在现实中，一个电荷通常受不止一个其他电荷的作用，此时，库仑力与一般力一样，同样具有叠加性——矢量和。
常用规律/结论：三个自由电荷因相互作用而平衡，它们满足：“三点共线，两同夹一异，两大夹一小，近小远大”，它们的电荷量和间距大小满足：
①
②
