電荷與庫倉定律

  自然界一切電磁現(xiàn)象都起源于物質(zhì)具有電荷屬性，電現(xiàn)象起源于電荷，磁爽象起源于電荷運(yùn)動(dòng)，所以“電荷”概念是電磁學(xué)中的第一個(gè)重要概念.

  電荷與電荷守恒定律

  人類對(duì)電現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)開始于摩擦起電.早在2500多年前，人們發(fā)現(xiàn)用琥珀(一種礦物化了的樹脂)同毛皮摩擦之后具有吸引輕小物體(如毛發(fā)、羽毛等)的性質(zhì). 后來又發(fā)現(xiàn)，除琥珀外，硫磺、水晶、金剛石、橡膠棒、玻璃棒等同毛皮或絲綢摩擦后，都有這種吸引輕小物體的性質(zhì)，經(jīng)摩擦后的物體具有吸引輕小物體的性質(zhì)，就說這物體帶了電，或者說物體上有了電荷，帶電荷物體稱為帶跑體，帶電體上所帶電荷的數(shù)量稱為電量.使物體帶電稱為起電，通過摩擦方法使物體帶電稱為摩擦起電.

  實(shí)驗(yàn)指出任何兩個(gè)帶電體之間都有相互作用力，經(jīng)毛皮摩擦過的兩根橡膠棒之間有相互排斥力，經(jīng)絲綢摩擦過的兩根玻璃棒之間也有相互排斥力，這表明帶同種性質(zhì)電荷的物體間存在斥力.經(jīng)毛皮摩擦過的橡膠棒與經(jīng)絲綢摩擦過的疲璃棒之間的作用力是引力而不是斥力，這表明它們所帶電荷的電性不同.大量實(shí)驗(yàn)表明，任何帶電體同用絲綢摩擦過的玻璃棒之間的作用力不是斥力就是引力，而且同這玻璃棒相排斥的帶電體，同用毛皮摩擦過的橡膠棒一定相吸引，同玻璃棒相吸引的帶電體，同橡膠棒一定排斥，這表明自然界的電荷就其電性質(zhì)而論，只有兩種電荷，不是與絲綢摩擦過的玻璃棒上電荷同性質(zhì)的電荷，就是與毛皮摩擦過的橡膠棒上電荷同性質(zhì)的電荷.1747年，美國科學(xué)家富蘭克林(B.Franklin)把自然界中與絲綢摩擦過的玻璃棒上電荷性質(zhì)相同的電荷稱為正電荷，與毛皮摩擦過的橡膠棒上電荷性質(zhì)相同的電荷稱為負(fù)電荷，這種對(duì)自然界兩種電荷的命名一直沿用至今，為區(qū)分這兩種電荷，習(xí)慣上把正電荷的電量用正數(shù)值表示，負(fù)電荷的電量用負(fù)數(shù)值表示.

  以上對(duì)電荷的討論比較籠統(tǒng)，電荷到底是什么是物質(zhì)的一種屬性，還是不依附于任何物體而獨(dú)立存在的東西用近代物理學(xué)的觀點(diǎn)來看，電荷是一些基本粒子(如電子、質(zhì)子、μ±子、π±介子等)的一種屬性，自然界不存在不依附于任何物體的“單獨(dú)電荷”這種東西.通過摩擦或靜電感應(yīng)方法之所以會(huì)使宏觀物體顯示出帶電性質(zhì)，是由于各種宏觀物體都是由原子(或分子)組成的，而原子是由帶負(fù)電荷的電子和由帶正電荷的質(zhì)子與不帶電荷的中子組成的原子核所構(gòu)成的. 正常原子中，原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)與核外電子數(shù)相等，而每個(gè)質(zhì)子所帶正電荷電量與電子所帶負(fù)電荷電量的絕對(duì)值(用符號(hào)e表示)相等，所以一個(gè)原子內(nèi)的正、負(fù)電荷電量的絕對(duì)值相等，對(duì)外其正、負(fù)電性相消，加之宏觀物體內(nèi)分子熱運(yùn)動(dòng)的進(jìn)一步均勻攪拌，正常的宏觀物體對(duì)外呈現(xiàn)出不帶電的電中性狀態(tài). 通過摩擦或靜電感應(yīng)，會(huì)使宏觀物體內(nèi)部電子轉(zhuǎn)移到另一宏觀物體上，或使宏觀物體上帶負(fù)電荷的電子的均勻分布狀態(tài)遭到破壞，這樣有過剩電子的宏觀物體(或宏觀物體部分區(qū)域)對(duì)外呈現(xiàn)帶負(fù)電性質(zhì)，而缺少電子的宏觀物體(或宏觀物體部分區(qū)域)對(duì)外顯示出帶正電性質(zhì). 這就是宏觀物體帶電的情景.

  上面已講到，電荷是帶電基本粒子的一種屬性.實(shí)驗(yàn)上又發(fā)現(xiàn)所有帶電基本粒子的電荷電量都是電子電荷電量絕對(duì)值e的正、負(fù)整數(shù)倍.而e的精確值實(shí)驗(yàn)測(cè)得為

  e = 1.6021892(46)×10-19C

  所以自然界任何宏觀帶電體所帶電荷電量的最小變化量為e，即帶電體電量的改變是一份一份地增加或減小，每一份的電量值為e，這稱為電荷的量子化. 電量e對(duì)宏觀電磁測(cè)量儀器來說是太小了，以至于e電量對(duì)宏觀測(cè)量帶來的影響無法察覺，所以在以研究宏觀電磁現(xiàn)象規(guī)律為其內(nèi)容的經(jīng)典電磁學(xué)中，一般不考慮電荷的量子化，任何宏觀帶電體的電量變化量△g宏觀上仍可看做是連續(xù)變化的隨意小量.