基础知识二:

1．1．4．1 电场和电场强度

电荷之间的相互作用力是怎样发生的呢? 经过长期的科学研究发现: 电荷之间的相互作用力是通过电场发生的。

电场是存在于电荷周围的一种特殊的物质。电场对任何处在其中的电荷或带电体作用着一种力，即电场力，如图1－1－2所示。

图1－1－2 电场的作用力

图1－1－3 点电荷产生的电场

电场是客观存在的一种特殊的物质，只要有电荷存在，电荷周围就有电场，电场的性质可以用检验电荷来研究。检验电荷，也叫试探电荷，是带正电的电荷，它的电荷量充分小，放入之后，不致影响原来要研究的电场; 它的体积也充分小，便于用来研究电场中各点的情况。如图1－1－3所示，把检验电荷q放在电荷Q产生的电场中，检验电荷q在电场中的不同点受到的电场力的大小一般是不同的，这表示各点的电场强弱不同。检验电荷q在距Q较近的A点，受到的电场力大，表示这点的电场强; 检验电荷q在距Q较远的B点，受到的电场力小，表示这点的电场弱。

因为不同的检验电荷q在电场的同一点所受的电场力是不同的，所以我们不能直接用电场力的大小表示电场的强弱。实验表明，在电场中的同一点，比值F/q是恒定的; 在电场中的不同点，比值F/q一般是不同的。这个比值由检验电荷q在电场中的位置所决定，与检验电荷q无关，是反映电场性质的物理量，用来表示电场的强弱。

放入电场中的某点的电荷所受的电场力F与它的电荷量q的比值，叫做该点的电场强度，简称场强。

用公式表示为:

式中，E——电场强度，单位是牛顿每库仑(N/C)或伏特每米(V/m);

F——电场力，单位是牛顿(N);

q——检验电荷的电荷量，单位是库仑(C)。

电场强度是矢量，既有大小又有方向。电学中规定，电场中某点的电场强度方向与正电荷在该点所受的电场力的方向相同。

例1－1－2 在电场中的某点放入电荷量为6×10－9C的点电荷，受到的电场力为3× 10－5N。这一点的电场强度是多大? 如果改用电荷量为8×10－9C的点电荷，该点的电场强度是多大? 点电荷所受的电场力又是多大?

解: 电场中某点的电场强度与检验电荷无关。由电场强度公式可得:

由于电场中某点的电场强度与检验电荷无关，所以该点的电场强度不变，E=5×103 N/C。点电荷所受的电场力F'=Eq'=5×103×8×10－9N=4×10－5N。

1．1．4．2 电场线

电场是无形的，但我们却可间接地窥视它的模样，使它现出原形。我们来做个实验: 把奎宁晶粒或石棉屑等漂浮在凡士林油或蓖麻油这类粘滞物质的表面上，并放入电场中。我们发现那些本来杂乱无章的东西好似听到严厉的命令，都一个个按某一和谐的图案排起队来了。如图1－1－4所示的图案就是电场“艺人”的作品。其中的一条条细枝代表了电场力作用的线，我们把它叫做电场线，也称电力线。

图1－1－4 用实验模拟的电场线

从图1－1－5中可以看出电场线的特征如下:

(1)电场线总是起始于正电荷(或无穷远)终止于负电荷(或无穷远)，它不是闭合曲线。

(2)电场线可以大致表示电场强弱: 电场线越密，电场越强: 电场线越稀，电场越弱。

(3)任何两条电场线都不会相交。

图1－1－5 几种常见的电场线

注意: 电场线的形状虽然可以用实验模拟，但电场线并不是电场里实际存在的线，而是形象地描绘电场的假想的线。

1．1．4．3 静电和静电屏蔽

1．静电

在气候干燥的季节，如果你穿着旅游鞋在干净的地毯上行走，你的手碰到金属的门把手，常常会给你一件意想不到的“礼物”——一个小火花跳到手上，麻得你不自在; 当你伸手跟别人接触，常常会给对方造成一次电击，令人不快。夜晚，当你脱毛衣(或化纤衣服)时，由于毛衣与内衣等摩擦起电，会发生“劈劈啪啪”的响声; 如果在黑暗处，还会看到小火花，令你发慌。这些都是静电的“恶作剧”。

物体上带有电荷的现象叫做静电。把电荷移近不带电的导体，可以使导体带电，这种现象叫做静电感应。利用静电感应使物体带电，叫做感应起电。前面这些静电的“恶作剧”，究其原因，是身体与周围物体摩擦带了电，由于旅游鞋底绝缘性能好，人体带的电荷不能泄放入地，一旦接触导体，就会发生火花放电，造成“不愉快”的电击。

目前，静电已经有多种应用，如静电复印、静电除尘、静电喷涂、静电植绒等。但静电也带来了一些危害: 如运油车行驶时，燃油与油罐摩擦、撞击产生大量静电，会引起燃烧爆炸; 汽车上的收音机，在炎热干燥的季节里常因轮胎和路面摩擦产生静电干扰而无法接收; 狂风卷起的沙砾，往往携带大量的静电电荷而中断无线电通信，有时还会引起铁路、航空等自动信号系统的信号失误，造成严重事故。因此，我们要驯服静电，消除危害。

2．静电屏蔽

我们来做这样的实验:

如图1－1－6(a)所示，使带电的金属球靠近验电器，由于静电感应，验电器的箔片张开，这表示验电器受到了外电场的影响。

如图1－1－6(b)所示，如果事先用金属网罩把验电器罩住，验电器的箔片就不张开，即使把验电器和金属网罩用导线连接起来，箔片也不张开。这表示金属网罩能把外电场挡住，使罩内不受外电场的影响。

在上面的实验中，导体壳(金属网罩)使其内部所包围的区域不受外电场的影响，这种现象叫做静电屏蔽。

静电屏蔽在生产实际中具有重要的应用。如通过电缆的外面包一层铅皮、三极管的管帽等就是用来防止外界电场的干扰，起屏蔽作用。

图1－1－6 静电屏蔽

1．1．4．4 带电导体的电荷分布与尖端放电

1．带电导体的电荷分布

当带电导体所带的为同一种电荷时，由于同性相斥规律: 面电荷密度(单位面积带的电荷量)的大小与表面的曲率有关，表面曲率大的地方电荷密度大; 表面曲率小的地方电荷密度小。具体地说，导体表面凸出且尖锐的地方电荷密度大; 表面较平坦的地方电荷密度小; 表面凹进去的地方电荷密度更小。带电导体电荷分布如图1－1－7所示。

图1－1－7 电荷分布

2．带电导体的尖端放电

由于导体表面附近的电场强度与电荷的面密度成正比，电荷的面密度大，附近的电场强度就大。导体尖端的电荷特别密集，尖端附近的电场特别强，就会发生尖端放电。

3．尖端放电的利用及危害的避免

尖端放电的典型应用就是避雷针，避雷针利用尖端放电的原理将雷电引向避雷针放电，以此来防止雷电对建筑物的破坏。在高压设备中，为了防止因尖端放电而引起的危险和电能损失，往往采用表面极光滑而且较粗的导线，并把电极做成光滑的球状表面。