电场与恒定电流:看不见的力与走不丢的流

电荷与库仑定律

电荷守恒定律:电荷既不能创造也不能消灭,只能从一个物体转移到另一个物体(或从物体的一部分转移到另一部分)。

真空中两个静止点电荷之间的作用力——库仑定律:

公式 (1)

它与万有引力 形式完全一致,都是平方反比律。区别在于:引力只有吸引,库仑力可引可斥;库仑力远强于引力(电子与质子间的库仑力约为引力的 倍)。

电场与电场强度

电场的物质性

电荷周围存在电场,它对放入其中的电荷有力的作用——电场是传递电荷间相互作用的媒介,不需要接触。

电场强度(描述电场强弱的物理量)

检验电荷 在某点所受电场力 与 之比,叫该点的电场强度:

公式 (2)

它是矢量,方向与正电荷受力方向相同,由场源电荷与位置决定,与检验电荷无关。点电荷的场强公式(由 式  与 式  联立得到):

公式 (3)
比较 (定义式) (决定式)
适用范围 任何电场 真空点电荷
物理意义 比值定义,与 、 无关 由场源电荷 与距离 决定
矢量性 方向为正电荷受力方向 时背离场源, 时指向场源

场强叠加原理:多个点电荷在某点产生的场强,等于各电荷单独存在时在该点场强的矢量和——这是电场“独立作用”的体现。

电势、电势差与电势能

电势差(电压)

电场力做功与电荷量的比值,反映电场本身的性质:

公式 (4)

电场力做功的特点

电场力做功与路径无关,只与初末位置的电势差有关——因此静电场是保守场,可以定义电势能。电场力做正功,电势能减少;做负功,电势能增加。

匀强电场中的关系

匀强电场中,电势差等于场强与沿场强方向距离的乘积,这是连接 与 的桥梁:

公式 (5)

由 式  可得场强的另一个单位 ——两个单位完全等价。

电容器与电容

电容器是储存电荷与电能的元件。电容定义:所带电荷量 与两极板电势差 之比:

公式 (6)

平行板电容器电容的决定式( 为相对介电常数):

公式 (7)

动态分析口诀:“始终连接电源, 不变;充电后断开电源, 不变”。判断场强 变化时优先用 或 。

带电粒子在电场中的运动

加速:粒子沿电场方向穿过电势差 ,电场力做功与路径形状无关,一律用动能定理:

公式 (8)

偏转:初速 垂直于场强射入匀强电场(板长 、板距 、电压 ),受力恒定且垂直于初速——与平抛同构的类平抛运动:沿 方向匀速,沿场强方向初速为零的匀加速 。

穿越时间 ,出射时:

公式 (9)

两式相除立得几何结论:出射方向的反向延长线交入射轴线于板中央( 处)——示波管荧光屏定位全靠它。

记忆点:能否射出极板先看临界——侧移 才能飞出;判断「打板还是飞出」时先比 式  的 与 ,不要硬算轨迹。

恒定电流

欧姆定律

导体中电流与两端电压成正比、与电阻成反比:

公式 (10)

串并联电路规律

规律 串联 并联
电流 处处相等 (各支路按需分配)
电压 (分压) 处处相等
电阻 (越串越大) (越并越小)
功率分配 (大电阻多耗电) (小电阻多耗电)

闭合电路欧姆定律

电源内部也有电阻(内阻 ),电动势 等于内外电压之和:

公式 (11)

外电路断路时路端电压等于电动势;短路时电流 (很大,危险)。当外电阻等于内阻()时,电源输出功率最大。

电功与电功率

电流做功的本质是电场力搬运电荷:

公式 (12)

纯电阻电路中 ,电功率与热功率一致:。但非纯电阻电路(电动机、电解槽)中 ,差值转化为机械能或化学能——此时 ,欧姆定律不适用!

易错点:看到“电动机”三个字,先问自己——它是纯电阻吗?不是。凡是含电动机的电路,一律不能用 反推电流,只能用 与能量守恒联合求解。