《第九章 静电图思维导图》
一、静电基本概念
- 电荷 (Charge)
- 定义：物质的基本属性，是产生电磁现象的根源。
- 种类：正电荷 (+) 与负电荷 (-)。
- 单位：库仑 (C)。
- 性质：
- 同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。
- 电荷守恒定律：在一个封闭系统中，电荷的总量保持不变。
- 电荷量子化：所有电荷都是元电荷 e 的整数倍 (e = 1.602 × 10^-19 C)。
- 导体、绝缘体 (Conductors & Insulators)
- 导体：容易移动电荷的物质 (例如：金属、电解质溶液)。
- 绝缘体：不容易移动电荷的物质 (例如：塑料、橡胶、玻璃)。
- 半导体：介于导体和绝缘体之间的材料，其导电性可以通过温度、光照、杂质等条件来控制。
- 起电方式 (Charging Methods)
- 摩擦起电 (Friction Charging)：两种不同的物质相互摩擦，导致电荷转移。
- 接触起电 (Conduction Charging)：带电物体接触不带电物体，导致电荷转移。
- 感应起电 (Induction Charging)：带电物体靠近不带电导体，导致导体内的电荷重新分布。
二、静电力 (Electrostatic Force)
- 库仑定律 (Coulomb's Law)
- 公式：F = k |q1 q2| / r^2
- F：静电力的大小。
- k：静电力常量 (k ≈ 8.99 × 10^9 N·m²/C²)。
- q1, q2：两个点电荷的电量。
- r：两个点电荷之间的距离。
- 方向：两个点电荷连线上，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。
- 适用条件：真空中静止的点电荷。
- 公式：F = k |q1 q2| / r^2
- 静电力的叠加 (Superposition of Electrostatic Forces)
- 多个点电荷对一个点电荷的静电力是各个点电荷单独作用在该点电荷上的静电力的矢量和。
- 点电荷 (Point Charge)
- 定义：忽略带电体的大小和形状，将其视为一个集中在几何中心上的带电的点。
- 适用条件：带电体间的距离远大于带电体的尺寸。
三、电场 (Electric Field)
- 电场强度 (Electric Field Strength)
- 定义：描述电场强弱和方向的物理量。
- 公式：E = F/q
- E：电场强度。
- F：试探电荷受到的静电力。
- q：试探电荷的电量 (通常取正电荷)。
- 单位：牛/库 (N/C) 或 伏/米 (V/m)。
- 矢量性：电场强度是矢量，方向与正电荷所受静电力方向相同，与负电荷所受静电力方向相反。
- 电场线的特点 (Electric Field Lines)
- 电场线是假想的，用来形象地描述电场的分布。
- 电场线从正电荷出发，终止于负电荷 (或无穷远处)。
- 电场线的疏密表示电场强度的相对大小，越密表示电场强度越大。
- 电场线不相交。
- 沿电场线方向电势降低。
- 几种典型的电场 (Typical Electric Fields)
- 点电荷的电场：E = kQ/r^2 (Q为场源电荷的电量，r为到场源电荷的距离)。
- 匀强电场：电场强度大小和方向处处相同。
- 常见模型：平行板电容器之间的电场 (忽略边缘效应)。
- 电场力的性质 (Properties of Electric Force)
- 电场力对电荷做功：W = qEd cosθ (θ是电场力方向与位移方向之间的夹角)。
四、电势能与电势 (Electric Potential Energy & Electric Potential)
- 电势能 (Electric Potential Energy)
- 定义：电荷在电场中所具有的能量。
- 公式：Ep = qφ (φ是该点电势)。
- 电场力做功与电势能变化的关系：W = -ΔEp (电场力做正功，电势能减少；电场力做负功，电势能增加)。
- 电势 (Electric Potential)
- 定义：描述电场中某点电势能的物理量，等于将单位正电荷从该点移到零电势点（通常取无穷远处）电场力做的功。
- 公式：φ = Ep/q
- 单位：伏特 (V)。
- 标量性：电势是标量，有正负之分，正负取决于电场中电荷的分布。
- 参考点 (Zero Potential Point)：通常取无穷远处或接地点为零电势点。
- 电势差 (Electric Potential Difference)
- 定义：电场中两点之间的电势之差。
- 公式：U = φA - φB (A、B两点之间的电势差)。
- 单位：伏特 (V)。
- 电场力做功与电势差的关系：W = qU (电场力做功等于电荷电量与电势差的乘积)。
五、电容 (Capacitance)
- 电容器 (Capacitor)
- 定义：储存电荷的器件。
- 构造：两个彼此绝缘的导体，中间夹着绝缘介质。
- 电容 (Capacitance)
- 定义：电容器储存电荷的能力。
- 公式：C = Q/U (Q是电容器储存的电荷量，U是电容器两端的电压)。
- 单位：法拉 (F)。
- 平行板电容器 (Parallel Plate Capacitor)
- 电容的决定式：C = εS/d
- ε：介电常数 (反映介质的极化能力)。
- S：正对面积。
- d：两板之间的距离。
- 电容的决定式：C = εS/d
- 电容器的能量 (Energy of a Capacitor)
- 电容器储存的能量：E = 1/2 CU^2 = 1/2 QU = 1/2 * Q^2/C
六、静电的应用与危害
- 静电的应用 (Applications of Electrostatics)
- 静电喷涂、静电除尘、静电复印等。
- 静电的危害 (Hazards of Electrostatics)
- 静电放电 (ESD)：可能导致电子设备损坏、火灾或爆炸。
- 工业生产中的安全问题。
- 静电防护 (Electrostatic Protection)
- 接地、使用抗静电材料、控制湿度等。
七、补充概念与拓展
- 电偶极子 (Electric Dipole)：两个电量相等、电性相反的点电荷组成的系统。
- 电极化 (Polarization)：介质在外电场作用下，正负电荷中心发生相对位移的现象。
- 电屏蔽 (Electrostatic Shielding)：用导体壳将需要保护的区域包围起来，使外部电场无法进入内部。
以上是对第九章静电的知识体系的梳理和总结，通过思维导图的方式呈现，能够帮助更好地理解和掌握静电的相关概念和规律。理解每个概念的定义、公式、适用条件以及相互之间的联系是关键。在实际应用中，要注意电场力的矢量性、电势的相对性以及静电的危害和防护。