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第5章真空中的静电场

§物质的电结构

实验证明,自然界中存在两种电荷,分别称为正电荷和负电荷.它们之间存在

相互作用力,同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引.物体所带电荷的多少称为电

量,用q或Q表示,电量的单位取库仑（C）.

实验还表明,在自然界中,存在着最小的电荷基本单元e,任何带电体所带的电

量只能是这个基本单元的整数倍,即

Qne(n1,2,)

电荷的这一特性称为电荷的量子性.实验测得这基本单元的电量为

近似为

e1(49)1019C(1.6021019C)

由于e的量值非常小,在宏观现象中不易观察到电荷的量子性,常将电量Q看

成是可以连续变化的物理量,它在带电体上的分布也看成是连续的.

由物质的电结构可知,原子中一个电子带一个单位负电荷,一个质子带一个单

.,原子失去电子带正电,原子得到电子带负

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位正电荷,其量值就是e160210C

电.

随着人们对物质结构的认识,1964年盖尔曼（M·Gell-Mann）等人提出了夸

克模型,认为夸克粒子是物质结构的基本单元,强子（质子、中子等）是由夸克组

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成的,而不同类型的夸克带有不同的电量,分别为e或e.截止1995年,核子

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的6个夸克已全部被实验发现,可靠的依据也证明了分数电荷的存在.但到目前为

止还没有发现自由状态存在的夸克.

我们已经知道,在正常情况下物体不带电,呈电中性,即物体上正、负电荷的代

数和为零.当物体呈带电状态时,是由于电子转移或电子重新分配的结果,在电子

转移或重新分配的过程中,正、负电荷的代数和并不改变.大量实验表明,把参与相

互作用的几个物体或粒子作为一个系统,若整个系统与外界没有电荷交换,则不管

在系统中发生什么变化过程,整个系统电荷量的代数和将始终保持不变.这一结论

称为电荷守恒定律,它是自然界中一条基本定律.实验还发现,一切宏观的、微观的,

物理的、化学的、生物的等过程都遵守电荷守恒定律.

§库仑定律

实验表明,带电体之间的相互作用与带电体之间的距离和所带电量有关,也与

带电体的大小、形状、电荷在带电体上的分布情形以及周围介质的性质有关.所

以在通常情况下,两个带电体之间的相互作用表现出与多种因素有关的复杂情形.

当带电体的线度与带电体之间的距离相比小得多时,带电体的大小、形状对所研

究问题的影响可以忽略,这样的带电体称为点电荷.显然,点电荷的概念与质点、刚

体等概念一样,是对实际情况的抽象,是一种理想化的物理模型.一个带电体能否

看成点电荷,必须根据具体情况来决定.一般的带电体不能看成点电荷,但总可以

把它看成是许多点电荷的集合体,从而能由点电荷所遵从的规律出发,得出我们所

要寻找的结论.本节我们讨论真空中点电荷间的相互作用.

两点电荷之间的相互作用是库仑—1806)通过扭称实验于1785年总结出来的,

其内容为：真空中两静止点电荷之间的相互作用力的大小与它们所带电量的乘积

成正比,与它们之间距离的平方成反比；作用力的方向沿着两电荷的连线,同号电

荷相斥(为正),异号电荷相吸(为负),这一结论称为库仑定律.其数学表达式为

qq



ˆ

Fk12r()

r2

k为比例系数,在SI单位制中,实验测得其数值为



9