[科普中國(guó)]-電場(chǎng)力

電荷之間的相互作用是通過(guò)電場(chǎng)發(fā)生的。只要有電荷存在，電荷的周圍就存在著電場(chǎng)，電場(chǎng)的基本性質(zhì)是它對(duì)放入其中的電荷有力的作用，這種力就叫做電場(chǎng)力。

定義電荷之間的相互作用是通過(guò)電場(chǎng)發(fā)生的。只要有電荷存在，電荷的周圍就存在著電場(chǎng)。電場(chǎng)的基本性質(zhì)是它對(duì)放入其中的電荷有力的作用，這種力就叫做電場(chǎng)力。電場(chǎng)力是當(dāng)電荷置于電場(chǎng)中所受到的作用力?；蚴窃陔妶?chǎng)中為移動(dòng)自由電荷所施加的作用力。其大小可由庫(kù)侖定律得出。當(dāng)有多個(gè)電荷同時(shí)作用時(shí)，其大小及方向遵循矢量運(yùn)算規(guī)則1。

方向正電荷沿電場(chǎng)線的切線方向，負(fù)電荷沿電場(chǎng)線的切線方向的反方向。

計(jì)算電場(chǎng)力的計(jì)算公式是F=qE，其中q為點(diǎn)電荷的帶電量，E為場(chǎng)強(qiáng)?；蛴蒞=Fd，也可以根據(jù)電場(chǎng)力做功與在電場(chǎng)力方向上運(yùn)動(dòng)的距離來(lái)求。電磁學(xué)中另一個(gè)重要公式W=qU（其中U為兩點(diǎn)間電勢(shì)差），就是由此公式推導(dǎo)得出。

實(shí)際應(yīng)用由于電場(chǎng)力的作用廣泛，它應(yīng)用到粒子加速器、航天事業(yè)中導(dǎo)航修正、對(duì)新物質(zhì)的加工、改變物質(zhì)內(nèi)部粒子的排列等等，在未來(lái)可能是工程與技術(shù)的主要?jiǎng)恿χ?。

應(yīng)用前景在未來(lái)有電場(chǎng)力的存在航空航天事業(yè)會(huì)得到長(zhǎng)足發(fā)展，例如利用電場(chǎng)保護(hù)層（可以讓飛行器更輕）；以及讓飛行器依賴電場(chǎng)飛行（而取代現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)）；電場(chǎng)在核物質(zhì)的衰變起作用（讓我們能更好的利用能源）。

相關(guān)定律、公式任何電場(chǎng)中適用的公式：靜電力F靜=qE。

勻強(qiáng)電場(chǎng)通用公式：E=U/d （**注：**d指兩極板的距離，U指兩極板電勢(shì)差）

還有真空中點(diǎn)電荷適用的公式：F=k(Qq/r2) （**注：**靜電力常量k=9.0×109N·m2/C2）

萬(wàn)有引力公式：F=G(Mm/r2) （**注：**萬(wàn)有引力常量G=6.67×10-11N·m2/kg2）

來(lái)源發(fā)現(xiàn)1785年，庫(kù)侖用自己發(fā)明的扭秤建立了靜電學(xué)中著名的庫(kù)侖定律。同年，他在給法國(guó)科學(xué)院的《電力定律》的論文中詳細(xì)地介紹了他的實(shí)驗(yàn)裝置、測(cè)試經(jīng)過(guò)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

證明方法庫(kù)侖的扭秤是由一根懸掛在細(xì)長(zhǎng)線上的輕棒和在輕棒兩端附著的兩只平衡球構(gòu)成的。當(dāng)球上沒(méi)有力作用時(shí)，棒取一定的平衡位置。如果兩球中有一個(gè)帶電，同時(shí)把另一個(gè)帶同種電荷的小球放在它附近，則會(huì)有電力作用在這個(gè)球上，球可以移動(dòng)，使棒繞著懸掛點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到懸線的扭力與電的作用力達(dá)到平衡時(shí)為止。因?yàn)閼揖€很細(xì)，很小的力作用在球上就能使棒顯著地偏離其原來(lái)位置，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與力的大小成正比。庫(kù)侖讓這個(gè)可移動(dòng)球和固定的球帶上不同量的電荷，并改變它們之間的距離：

第一次，兩球相距36個(gè)刻度，測(cè)得銀線的旋轉(zhuǎn)角度為36度。

第二次，兩球相距18個(gè)刻度，測(cè)得銀線的旋轉(zhuǎn)角度為144度。

第三次，兩球相距8.5個(gè)刻度，測(cè)得銀線的旋轉(zhuǎn)角度為575.5度。

上述實(shí)驗(yàn)表明，兩個(gè)電荷之間的距離為4：2：1時(shí)，扭轉(zhuǎn)角為1：4：16。由于扭轉(zhuǎn)角的大小與扭力成反比，所以得到：兩電荷間的斥力的大小與距離的平方成反比。庫(kù)侖認(rèn)為第三次的偏差是由漏電所致。

經(jīng)過(guò)了這們巧妙的安排，仔細(xì)實(shí)驗(yàn)，反復(fù)的測(cè)量，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，找出誤差產(chǎn)生的原因，進(jìn)行修正，庫(kù)侖終于測(cè)定了帶等量同種電荷的小球之間的斥力。

但是對(duì)于異種電荷之間的引力，用扭秤來(lái)測(cè)量就遇到了麻煩。因?yàn)榻饘俳z的扭轉(zhuǎn)的回復(fù)力矩僅與角度的一次方成比例，這就不能保證扭稱的穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)反復(fù)的思考，庫(kù)侖發(fā)明了電擺。他利用與單擺相類似的方法測(cè)定了異種電荷之間的引力也與它們的距離的平方成反比。

最后庫(kù)侖終于找出了在真空中兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的相互作用力與兩點(diǎn)電荷所帶的電量及它們之間的距離的定量關(guān)系，這就是靜電學(xué)中的庫(kù)侖定律，即兩電荷間的力與兩電荷的乘積成正比，與兩者的距離平方成反比。庫(kù)侖定律是電學(xué)發(fā)展史上的第一個(gè)定量規(guī)律，它使電學(xué)的研究從定性進(jìn)入定量階段，是電學(xué)史中的一塊重要的里程碑。電荷的單位庫(kù)侖就是以他的姓氏命名的3。

相關(guān)人物庫(kù)侖（Charlse-Augustin de Coulomb，1736 --1806），法國(guó)工程師、物理學(xué)家。1736年6月14日生于法國(guó)昂古萊姆。1806年8月23日在巴黎逝世。早年就讀于美西也爾工程學(xué)校。離開學(xué)校后，進(jìn)入皇家軍事工程隊(duì)當(dāng)工程師。法國(guó)大革命時(shí)期，庫(kù)侖辭去一切職務(wù)，到布盧瓦致力于科學(xué)研究。法皇執(zhí)政統(tǒng)治期間，回到巴黎成為新建的研究院成員。1773年發(fā)表有關(guān)材料強(qiáng)度的論文，所提出的計(jì)算物體上應(yīng)力和應(yīng)變分布情況的方法沿用，是結(jié)構(gòu)工程的理論基礎(chǔ)。1777年開始研究靜電和磁力問(wèn)題。當(dāng)時(shí)法國(guó)科學(xué)院懸賞征求改良航海指南針中的磁針問(wèn)題。庫(kù)侖認(rèn)為磁針支架在軸上，必然會(huì)帶來(lái)摩擦，提出用細(xì)頭發(fā)絲或絲線懸掛磁針。研究中發(fā)現(xiàn)線扭轉(zhuǎn)時(shí)的扭力和針轉(zhuǎn)過(guò)的角度成比例關(guān)系，從而可利用這種裝置測(cè)出靜電力和磁力的大小，這導(dǎo)致他發(fā)明扭秤。他還根據(jù)絲線或金屬細(xì)絲扭轉(zhuǎn)時(shí)扭力和指針轉(zhuǎn)過(guò)的角度成正比，因而確立了彈性扭轉(zhuǎn)定律。他根據(jù)1779年對(duì)摩擦力進(jìn)行分析，提出有關(guān)潤(rùn)滑劑的科學(xué)理論，于1881年發(fā)現(xiàn)了摩擦力與壓力的關(guān)系，表述出摩擦定律、滾動(dòng)定律和滑動(dòng)定律。設(shè)計(jì)出水下作業(yè)法，類似現(xiàn)代的沉箱。1785~1789年，用扭秤測(cè)量靜電力和磁力，導(dǎo)出著名的庫(kù)侖定律。庫(kù)侖定律使電磁學(xué)的研究從定性進(jìn)入定量階段，是電磁學(xué)史上一塊重要的里程碑。

相關(guān)理論磁學(xué)中的庫(kù)侖定律也是利用類似的方法得到的。1789年法國(guó)大革命爆發(fā)，庫(kù)侖隱居在自己的領(lǐng)地里，每天全身心地投入到科學(xué)研究的工作中去。同年，他的一部重要著作問(wèn)世，在這部書里，他對(duì)有兩種形式的電的認(rèn)識(shí)發(fā)展到磁學(xué)理論方面，并歸納出類似于兩個(gè)點(diǎn)電荷相互作用的兩個(gè)磁極相互作用定律。庫(kù)侖以自己一系列的著作豐富了電學(xué)與磁學(xué)研究的計(jì)量方法，將牛頓的力學(xué)原理擴(kuò)展到電學(xué)與磁學(xué)中。庫(kù)侖的研究為電磁學(xué)的發(fā)展、電磁場(chǎng)理論的建立開拓了道路。這是他的扭秤在精密測(cè)量?jī)x器及物理學(xué)的其它方面也得到了廣泛的應(yīng)用。

庫(kù)侖不僅在力學(xué)和電學(xué)上都做出了重大的貢獻(xiàn)。做為一名工程師，他在工程方面也作出過(guò)重要的貢獻(xiàn)。他曾設(shè)計(jì)了一種水下作業(yè)法。這種作業(yè)法類似于現(xiàn)代的沉箱，它是應(yīng)用在橋梁等水下建筑施工中的一種很重要的方法。

判斷電勢(shì)高低的方法電場(chǎng)具有力的性質(zhì)和能的性質(zhì)，描述電場(chǎng)的物理量有電勢(shì)、電勢(shì)能、靜電力、靜電力做功等，為了更好地描述電場(chǎng)，還有電場(chǎng)線、等勢(shì)面等概念，可以從多個(gè)角度判斷電勢(shì)高低。

1、利用電場(chǎng)線判斷電勢(shì)高低．沿電場(chǎng)線的方向電勢(shì)越來(lái)越低。

2、在正電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)中，離電荷越近電勢(shì)越高，在負(fù)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)中，離電荷越近，電勢(shì)越低。

3、電勢(shì)的正負(fù)．若以無(wú)窮遠(yuǎn)處電勢(shì)為零，則正點(diǎn)電荷周圍各點(diǎn)電勢(shì)為正，負(fù)點(diǎn)電荷周圍各點(diǎn)電勢(shì)為負(fù)。

4、根據(jù)只在靜電力作用下電荷的移動(dòng)情況來(lái)判斷。只在靜電力作用下，電荷由靜止開始移動(dòng)，正電荷總是由電勢(shì)高的點(diǎn)移向電勢(shì)低的點(diǎn)；負(fù)電荷總是由電勢(shì)低的點(diǎn)移向電勢(shì)高的點(diǎn)。但它們都是由電勢(shì)能高的點(diǎn)移向電勢(shì)能低的點(diǎn)2。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)