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基本粒子3|什么是电场?阴极射线在电场下的偏转


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基本粒子3|什么是电场?阴极射线在电场下的偏转


上节课我们说了 , 汤姆逊对阴极射线研究的基本方法 , 就是给阴极射线施加电场和磁场 , 通过研究阴极射线在电场力和磁场力的作用下所发生的偏转 , 最后算出阴极射线的速度和荷质比 。
这里面又涉及到了两个重要的基础知识 , 电场和电场力 , 磁场和磁场力 , 今天我们就先说第一个 , 人类对电力的研究历史 , 以及电场到底是啥东西?

其实在上节课结束的时候 , 我都可以直接告诉大家汤姆逊的测量结果 , 那发现电子这件事就算结束了 。
但是 , 我觉得作为一个系列的科普 ,普及一些基础知识还是相当必要的 , 不然的话很多东西一句带过 , 最后大家还是听不懂 。
就像在大部分的科普书中 , 关于电子的发现都是一句带过 , 说汤姆逊给阴极射线加了电场和磁场 , 最后测出和荷质比 , 发现了电子 , 获得了诺贝尔奖 , 我看了以后也是一脸懵 , 不了解其中的细节 , 感觉很痛苦 。
好 , 我们闲话就不多说了 , 开始今天的正题 。

在第一篇文章中 , 我们说了人类对电现象的发现和研究历史 , 知道了电有同性相斥和异性相吸的性质 , 那么接下来我们就需要对电之间的排斥力和吸引力做定量的研究 , 也就是用数学方法把它们之间的力描述出来 。
其实对电力的研究没有啥好说的 , 因为电力的方程完全是照葫芦画瓢 , 画出来的 , 这个葫芦就是牛顿的万有引力公式 。
引力正比于两个物体的质量 , 反比于它们之间的距离 , 这个关系非常符合人们的直觉 , 质量大 , 引力大 , 距离远、引力小 , 所以人们就猜测电力可能也是这样的 。
它也与距离的平方成反比 , 与粒子所携带的电荷成正比 。 可以看出 , 电力方程和引力方程体现了物理学的对称之美 。

这么重要的一个公式 , 完全就是猜出来的 , 其实的话 , 猜测也是一种科学方法 , 只要符合实验结果就行了 。 当年普朗克的黑体辐射公式也是凑出来的 , 薛定谔的波动方程也有很大的猜测成分 。

那么对电力方程第一次最有说服力的实验是在1785年的时候 , 由法国人库仑做出来的 , 它的实验装置跟当年亨利·可文迪许测量引力常数的扭秤很像 , 也就是我们现在在图中看到的样子 , 通过这个装置 , 库仑确定了电力方程的准确性 。

所以电力方程就是 , 粒子1作用于粒子2的电力=Ke×粒子1的电荷×粒子2的电荷/粒子1和粒子2的距离^2

其中Ke是静电常数 , 它的值取决于力、电荷和距离所采用的单位 , 只能通过实验测量出来 , 跟万有引力中的G一样 。
如果电荷单位采用库仑 , 力的单位采用牛顿 , 距离单位采用米的话 , 那么静电常数的值就是8.99×10^9牛·米2/库2

我们现在在看一下静电力方程 , 也叫库仑定律 , 可以看出一个粒子所受到的静电力永远正比于它自身所携带的电荷 。 所以我们可以直接把方程中的K(Q?/r2)看成一个整体 , 这个整体就是个比例系数 , 麦克斯韦称它为电场强度 。
可以看出 , 电场强度取决于产生电场的物体所携带的电荷 , 以及受作用物体和它之间的距离 , 但是和受作用物质的电荷以及性质没有关系 。

那么引入电场强度一开始只是为计算方便 , 我们可以把库仑定律写成这样的形式 , 作用在一个带电体上的电力=物体的电荷×电场强度 。
根据上面这个公式 , 我们也可以看出 , 电场强度的单位是牛顿/库仑 , 意思就是单位电荷所受的力 , 由于力是一个矢量 , 所以电场强度它也有方向 。
在前面的文章中我们说过 , 带正电荷的粒子 , 它所产生的电场方向是从自身一直向外 , 带负电荷物体所产生的电场方向是从物体外指向自身 。


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