5.1.1　电荷

人类有关电磁现象的认识可追溯到公元前6世纪。古代希腊人发现用毛皮摩擦过的琥珀能够吸引碎草等轻小物体。后来,人们发现,不仅琥珀具有这种性质,还有相当多的物质,如金刚石、蓝宝石、硬树脂和明矾等都具有这种性质。这些物质经摩擦后有了吸引轻小物体的性质,我们就说物体带了电,或者说有了电荷。用摩擦的方法可以使物体带电,叫作摩擦起电。

自然界中只存在两种电荷。美国物理学家富兰克林把用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷叫作正电荷,用毛皮摩擦过的硬橡胶棒所带的电荷叫作负电荷。这种区分电荷的方法一直沿用到现在。实验发现,电荷之间存在着相互作用力,同种电荷互相排斥,异种电荷互相吸引。

物体所带电荷的多少叫作电量。在国际单位制中,电量的单位是库仑,简称库(C)。

从现代物理学的观点来看,物质结构的主要组成是电子、质子和中子。质子和中子是原子核的主要组成部分,统称为核子。电子在核外运动,质量约为9.91×10-31 kg。电子带负电,其电量e是电荷的最小单元,叫基元电荷,e=1.602×10-19 C。至今尚未发现电荷电量比一个电子的电量更小的稳定带电体。到目前为止的所有实验表明,e是最小的电荷单元,所有带电体或其他微观粒子的电量都是电子电量的整数倍。这个事实说明,物体所带的电荷是以一个个不连续的量值出现的,这称为电荷的量子化,是电荷的基本属性之一。

通常物体是由分子、原子构成的。原子由带正电的原子核和带负电的电子组成。原子核中含有质子和中子。质子带正电,其量值和电子的负电相等。中子不带电。在正常状态下,原子核外围的电子数目等于原子核内的质子数目,所以原子呈现中性,这样整个宏观物体也呈电中性,即正负电荷电量的代数和为零。若把一些电子从一个物体移到另一个物体上,则前者带正电,后者带负电,不过这两个物体的正负电荷的代数和仍为零。相反,如果让两个带有等量异号电荷的导体互相接触,则带负电的导体上的多余电子将移到带正电的导体上去,从而使两个导体对外部不显电性。在这个过程中,正负电荷的代数和始终不变,即总是为零。大量实验表明:在孤立系统内,不论发生什么过程,该系统电量的代数和总保持不变。这就是电荷守恒定律。电荷守恒定律是物理学中的基本定律之一。

电荷最基本的性质是与其他电荷的相互作用。实验发现,在研究任意两个带电体之间的静电相互作用规律时,力的大小和方向与带电体的几何形态、电荷的种类、电量的多少、电荷的分布及相对位置等许多因素有关,非常复杂。但是当两个带电体相距足够远,以至于带电体本身的线度比起两者间的距离可以忽略不计时,我们可以把带电体当作一个几何点。这时,带电体的形状、大小和电荷分布等因素已无关紧要,而且两者间的距离就有了完全确定的意义,从而使问题的研究大大简化。这种把带电体抽象为电荷集中于一个几何点的理想化模型叫作点电荷。