1．电荷

人们对于电的认识，最初来自摩擦起电和自然界的雷电现象。早在公元3世纪，晋朝张华的《博物志》中就记载着：“今人梳头、解著衣，有随梳解结，有光者，亦有咤声。”这是人类观察到摩擦起电现象的早期记录。今天我们把物体经摩擦后能吸引羽毛、纸片等轻微物体的状态称为带电，并说物体带有电荷，物体所带电荷多寡程度的物理量称为电荷量。

实验证明，物体所带的电荷有两种，分别称为正电荷和负电荷。带同号电荷的物体互相排斥，带异号电荷的物体互相吸引，这种相互作用称为电场力。电场力与万有引力有些相似，但万有引力总是相互吸引的，而电场力却随电荷的异号或同号有吸引与排斥之分。

摩擦起电

摩擦起电吸引易拉罐

2. 电荷守恒定律

摩擦使物体带电的现象可以从物质结构加以说明。宏观物体(实物)都由分子、原子组成，而任何元素的原子都由一个带正电的原子核和一定数目的绕核运动的电子所组成，原子核又由带正电的质子和不带电的中子组成。每一个质子所带正电荷量和电子所带负电荷量是等值的，通常用+e和-e来表示(参看表7-1)。在正常情况下，原子内的电子数和原子核内的质子数相等，整个原子呈电中性。由于构成物体的原子是电中性的，因此，通常的宏观物体将处于电中性状态，物体对外不显示电的作用。当两种不同质料的物体相互紧密接触时，有一些电子会从一个物体迁移到另一个物体上去，结果使两物体都处于带电状态。因此所谓起电，实际上是通过某种作用，使该物体内电子不足或过多而呈带电状态。例如，通过摩擦可使两物体接触面的温度升高，促使一定量的电子获得足够的动能从一个物体迁移到另一个物体，从而使获得更多电子的物体带负电，失去电子的物体带正电。

实验证明，在一个与外界没有电荷交换的系统内，无论进行怎样的物理过程，系统内正、负电荷量的代数和总是保持不变，这就是由实验总结出来的电荷守恒定律，是物理学的基本定律之一。这个定律不仅在宏观带电体中的起电、中和、静电感应和电极化等现象中得到了证明，而且在微观物理过程中更是得到了精确验证。例如在下列典型的放射性衰变过程中

具有放射性的铀核含有92个质子，自发发射一个α粒子(即)后，蜕变为含有90个质子的钍核，保持了蜕变前后的总电荷量不变。又如，一个高能光子在重核附近可以转化为电子偶(一个正电子和一个负电子)，光子的电荷量为零，电子偶的电荷量的代数和也为零；反之，电子偶也能湮没为光子，湮没前后，电荷量的代数和仍相等。其反应可表为

还要指出的是，电荷是相对论不变量，即电荷量与运动无关（见§8-5）。

3. 电荷的量子化

到目前为止的所有实验表明，电子或质子是自然界带有最小电荷量的粒子，任何带电体或其他微观粒子所带的电荷量都是电子或质子电荷量的整数倍。这个事实说明，物体所带的电荷量不可能连续地取任意量值，而只能取某一基本单元的整数倍值。 电子或质子所有的电荷量就是这个基本单元。换句话说，电荷对电子、质子等基本粒子来说是它们的一种基本属性，而对宏观物体来说是由于电子的转移才导致了物体带电量的多少。在国际单位制中，电荷量的单位是库仑(C)，相当于导线中的恒定电流等于 1A时，在1ｓ内流过导线横截面的电荷量。一个质子和一个电子所有的电荷量分别是正1.602177×10 ^-19C和负1.602177×10 ^-19C。电荷量的这种只能取分立的、不连续量值的性质，称为电荷的量子化。由于电荷的基本单元(即电子电荷量-e)很小，宏观过程中涉及的电荷量总是包含着大量的基本单元（例如在常用的220V、100W的白炽灯中，每秒通过钨丝的电子数就有3×10¹⁸个），致使电荷的量子性在研究宏观现象的实验中表现不出来，就像我们在喝水时并不感觉到水是由分子、原子等微观粒子组成的一样。所以，在研究宏观电现象时，可以不考虑电荷的量子化，仍把带电体上的电荷看做是连续分布的。

20世纪50年代以来，包括我国理论物理工作者在内的各国理论物理工作者陆续提出了一些关于物质结构更深层次的模型。他们认为强子（质子、中子、介子等）是由更基本的粒子(称为层子或夸克)构成的。夸克理论认为，夸克带有分数电荷，它们所带的电荷量是电子电荷量的±1/3、±2/3。 中子是中性的，但并不是说中子内部没有电荷，按夸克理论，中子内包含一个有2e/3电荷的上夸克和两个-e/3电荷的下夸克，总电荷量为零。强子由夸克组成，在理论上已是无可置疑的，只是迄今为止，尚未在实验中找到自由状态的夸克。但无论今后能否发现自由夸克的存在，都不会改变电荷量子化的结论。

量子化是微观世界一个基本概念，在微观世界中我们将看到，能量、角动量等也是量子化的。

4. 库仑定律

物体带电后的主要特征是带电体之间存在相互作用的电场力.为了定量地描述这个电场力，我们首先引入点电荷的概念，即当带电体的形状和大小与它们之间的距离相比可忽略时，这些带电体看做是点电荷。这是从实际问题抽象出来的理想模型。在具体问题中，点电荷这一概念只具有相对的意义，它本身不一定是很小的带电体。
    1785年，库仑(A.de Coulomb)从扭秤实验结果总结出了点电荷之间相互作用的静电力所服从的基本规律，称为库仑定律。可陈述如下：在真空中，两个静止点电荷之间电场力（或称静电力）的大小与这两个点电荷的电荷量和的乘积成正比，而与这两个点电荷之间的距离(或)的平方成反比，作用力的方向沿着这两个点电荷的连线，同号电荷相斥，异号电荷相吸。其数学形式可表为

(7-1)

式中是比例系数，表示对的作用力，是由点电荷指向点电荷的单位矢量(图7-1)。不论和的正负如何，公式(7-1)都适用。当和同号时，与单位矢量的方向相同，表明对的作用力是斥力；和异号时，与的方向相反，表明对的作用是引力。

图 7-1 两个点电荷之间的作用力

在库仑定律的表式中，距离的单位用ｍ，力的单位用N，电荷量的单位用C，根据实验测得比例系数

            
      为了使以后的运算更为简便，通常引入新的常量来代替，并把写成

            
      于是，真空中库仑定律就可写作

(7-2)

式中的常量称为真空电容率，或真空介电常量，是电磁学的一个基本常量。

  库仑定律是直接由实验总结出来的规律，它是静电场理论的基础。 库仑定律中平方反比规律的精确性以及定律的适用范围一直是物理学家关心的问题。现代精密的实验测得电力与距离平方成反比中的幂2的误差不超过10^-9。而且，根据现代α粒子对原子核的散射实验，可证实距离r在10^-12～10^-15 ｍ的范围内库仑定律仍是正确的。
      实验还证明，当空间有两个以上的点电荷时，作用在某一点电荷上的总静电力等于其他各点电荷单独存在时对该点电荷所施静电力的矢量和，这一结论叫做静电力的叠加原理。库仑定律只适用于点电荷，欲求带电体之间的相互作用力，可将带电体看做是许多小带电元组成的，小带电元之间的静电力则可应用库仑定律求得，最后根据静电力的叠加原理而求出两带电体之间的总静电力。原则上讲，库仑定律和叠加原理相配合，可以求解静电学中的全部问题。