物理电荷思维导图
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核心概念：电荷 (Electric Charge)
- 定义
- 物质的一种基本属性
- 是产生电场和受电场力作用的根源
- 种类
- 正电荷 (+)：如质子所带电荷
- 负电荷 (-)：如电子所带电荷
- 中性：不带电荷或正负电荷等量
- 电荷量 (Quantity of Charge)
- 符号：q 或 Q
- 单位：库仑 (Coulomb, C)
- 基本电荷：e ≈ 1.602 × 10⁻¹⁹ C (一个电子或质子所带电荷的绝对值)
- 定义
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电荷的基本性质
- 量子化 (Quantization)
- 电荷量只能是基本电荷 e 的整数倍：q = n * e (n 为整数)
- 是离散的，非连续的
- 守恒 (Conservation)
- 在一个孤立系统内，正负电荷的代数和保持不变
- 电荷不能凭空产生，也不能凭空消失，只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分
- 可加性 (Additivity)
- 一个物体所带的总电荷量等于其各部分电荷量的代数和
- 量子化 (Quantization)
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电荷间的相互作用
- 库仑定律 (Coulomb's Law)
- 内容：真空中两个点电荷之间相互作用力的大小与它们电荷量的乘积成正比，与它们距离的平方成反比，作用力的方向沿着连接两电荷的直线
- 公式：F = k (|q₁ q₂|) / r²
- F：相互作用力 (Force)
- k：静电力常量，k ≈ 9 × 10⁹ N·m²/C²
- q₁, q₂：两个点电荷的电荷量
- r：两个点电荷之间的距离
- 方向：同种电荷相斥，异种电荷相吸
- 适用条件：点电荷、真空中（或介质中需引入介电常数 εᵣ, F = k (|q₁ q₂|) / (εᵣ * r²)）
- 电场 (Electric Field)
- 概念：电荷在其周围空间产生的特殊物质，是传递电荷间相互作用的媒介
- 场强 (Electric Field Intensity, E)
- 定义：放入电场中某点的电荷受到的电场力与该电荷量的比值
- 公式：E = F / q₀ (q₀ 是试探电荷)
- 单位：牛顿/库仑 (N/C) 或 伏特/米 (V/m)
- 方向：与正试探电荷受力方向相同
- 点电荷场强公式：E = k * |q| / r²
- 电场线 (Electric Field Lines)
- 描述电场分布的假想曲线
- 从正电荷出发（或无穷远）终止于负电荷（或无穷远）
- 任意一点的切线方向表示该点的场强方向
- 电场线的疏密程度表示场强的大小
- 电场线不相交，不闭合（静电场）
- 电场的叠加原理：合电场等于分电场矢量和
- 电势与电势能 (Electric Potential and Potential Energy)
- 电势能 (E_p)：电荷在电场中具有的势能，单位：焦耳 (J)
- 电场力做功等于电势能的减少量：W = -ΔE_p
- 电势 (V)：电场中某点的电荷在该点具有的电势能与该电荷量的比值
- 公式：V = E_p / q₀
- 单位：伏特 (Volt, V)
- 相对性：电势是相对的，常取无穷远处或大地为零电势点
- 电势差 (Voltage, U)：两点电势之差，U = V₂ - V₁
- 也等于电场力将单位正电荷从一点移到另一点所做的功：U = W / q₀
- 单位：伏特 (V)
- 等势面：电场中电势相等的点组成的曲面，电场线与等势面垂直
- 电势能 (E_p)：电荷在电场中具有的势能，单位：焦耳 (J)
- 库仑定律 (Coulomb's Law)
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电荷的分布与运动
- 导体中的电荷：
- 静电平衡时：净电荷分布在导体表面；内部电场强度为零；导体是等势体，表面是等势面；表面电荷密度在尖锐部分较大（尖端放电）
- 绝缘体中的电荷：电荷固定在其原子或分子中，不能自由移动
- 电介质：在外电场作用下会产生极化现象，减弱电场
- 电流 (Electric Current, I)：电荷的定向移动
- 定义：单位时间内通过导体横截面的电荷量
- 公式：I = q / t
- 单位：安培 (Ampere, A)
- 形成条件：导体、电场（电压）
- 导体中的电荷：
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相关现象与应用
- 静电现象：摩擦起电、感应起电、接触起电、静电除尘、静电喷涂、避雷针（尖端放电）
- 电容器：储存电荷和电能的器件，利用电荷的聚集
- 范德格拉夫起电机：利用静电积累产生高电压
- 静电屏蔽：导体壳可以有效地屏蔽外部电场，使内部不受影响