[科普中国]-检验电荷

检验电荷是一个理想化的物理模型。其作用是检验电场的强弱和电势的高低。

简介电荷的周围存在电场，为了描述一个已经存在的电场，必须要利用电场的一个基本性质：对放入电场的电荷有力的作用。于是要插入能检验电场的电荷，检验电荷就是描述电场的时候引入的理想电荷。

检验电荷是一个理想化的物理模型。其作用是检验电场的强弱和电势的高低。1

特点1、带电量足够小，对原电场（包括电场的强弱、电场线的分布、电势的高低）的影响可以忽略；

2、体积足够小，只有这样才可以用它来确定空间各点的电场性质；

3、检验电荷一般都未表明正负，因为检验电荷的正负并不是原则问题。但是为了统一研究，一般规定其为正电荷。

4、从概念上看点电荷和检验电荷的关系：检验电荷一定是点电荷，而点电荷不一定是检验电荷。

历史公元前600年左右，希腊的哲学家泰勒斯（Thales, 640-546B.C.）记录，在摩擦猫毛于琥珀以后，琥珀会吸引像羽毛一类的轻微物体，假若摩擦时间够久，甚至会有火花出现。

吉尔伯特首先发明的静电验电器（versorium）是一种可以侦测静电电荷的验电器。当带电物体接近金属指针的尖端时，因为静电感应，异性电荷会移动至指针的尖端，指针与带电物体会互相吸引，从而使得指针转向带电物体。

1600年，英国医生威廉·吉尔伯特，对于电磁现象做了一个很仔细的研究。他指出琥珀并非唯一经过摩擦时会产生静电的物质，并且区分出电与磁不同的属性。他撰写了第一本阐述电和磁的科学著作《论磁石》。吉尔伯特创建了新拉丁语的术语“electricus”（类似琥珀，从“ήλεκτρον”，“elektron”，希腊文的“琥珀”），意指摩擦后吸引小物体的性质。这联结给出了英文字“electric”和“electricity”，最先出现于1646年，汤玛斯·布朗（Thomas Browne）的著作《Pseudodoxia Epidemica》（英文书名《Enquries into very many received tenets and commonly presumed truths》）。随后，于1660年，科学家奥托·冯·格里克发明了可能是史上第一部静电发电机（electrostatic generator）。他将一个硫磺球固定于一根铁轴的一端，然后一边旋转硫磺球，一边用干手摩擦硫磺球，使硫磺球产生电荷，能够吸引微小物质。

史蒂芬·戈瑞（Stephen Gray）于1729年发现了电传导，电荷可以从一个物质传导至另外一个物质。只有一些物质会传导电荷，其中，金属的能力最为优良。从此，科学家不再认为产生电荷的物体与所产生的电荷是不可分离的，而认为电荷是一种独立存在的物质，在那时被称为电流体(electric fluid)。1733年，查尔斯·琽费（Charles du Fay）将电分为两种，玻璃电和琥珀电。这两种电会彼此相互抵销。当玻璃与丝巾相摩擦时，玻璃会生成玻璃电；当琥珀与毛皮相摩擦时，琥珀会生成琥珀电。这理论称为电的双流体理论。使用一根带电丝线，就可以知道物质到底拥有玻璃电还是琥珀电。拥有玻璃电的物质会排斥带电丝线；拥有琥珀电的物质会吸引带电丝线。

在十八世纪，走在电学最前端的专家非班杰明·富兰克林莫属。他认为电的单流体理论比较正确。他想像电储存于所有物质里，并且通常处于平衡状态，而摩擦动作会使得电从一个物体流动至另一个物体。例如，他认为累积的电是储存于莱顿瓶的玻璃，用丝巾摩擦玻璃使得电从丝巾流动至玻璃。这流动形成了电流。他建议电量低于平衡的物体载有负的电量，电量高于平衡的物体载有正的电量。他任意地设定玻璃电为正电，具有多余的电；而琥珀电为负电，缺乏足够的电。同时期，威廉·沃森也达到同样的结论。1747年，富兰克林假设在一个孤立系统内，总电荷量恒定，这称为电荷守恒定律。

十八世纪后期，在数量方面对于电的研究开始有实质的发展。1785年，使用查尔斯·库仑与约瑟夫·普利斯特里分别独立发明的扭秤（torsion balance），库仑证实了普利斯特里的基本定律：载有静态电荷的两个物体之间感受的作用力与距离成平方反比。这奠定了静电的基本定律。

1897年，剑桥大学卡文迪许实验室的约瑟夫·汤姆孙观察到阴极射线会因为电场或磁场而偏转，他推论阴极射线是由带负电的粒子所组成，后来称为电子。从阴极射线的偏转，他计算出电子的电荷质量比，因此获得了1906年的诺贝尔物理学奖。

1904年，汤姆森创立了原子的梅子布丁模型：原子的结构被类比于梅子布丁，负电荷（梅子）分散于正电荷的圆球（布丁）。这模型被欧尼斯特·卢瑟福的卢瑟福散射实验于1909年推翻。卢瑟福又提出卢瑟福模型：大多数的质量和正电荷，都集中于一个很小的区域（原子核）；电子则包围在原子核区域的外面。

1909年，美国物理学家罗伯特·密立根做了一个著名实验，称为油滴实验，可以准确地测量出电子的电荷量。汤姆孙和学生约翰·汤森德（John Townsend）使用电解的离子气体来将过饱和水蒸气凝结，经过测量带电水珠粒的电荷量，也得到了相似结果。于1911年，亚伯兰·约费（Abram Ioffe）使用带电金属微粒，独立地得到同样的结果。

静电假设在平衡状况，某物体的总电量不等于零，也就是说，这物体带有正电荷或负电荷，则称此物体带有静电。这方面的问题属于静电学领域。琥珀在经过用猫毛摩擦后，能够吸引轻小物体，这现象称为的静电现象。这是负电荷从猫毛转移到琥珀后，所呈现的电性。当两个处于电势不相等的物体相互接触在一起，就会发生另外一种静电现象，称为静电放电，使得一个物体的电荷流动至另一个物体，从而促成电势相等。雷电是一种比较剧烈的静电放电。在大自然中，因为云层累积的正负电荷剧烈中和，会产生雷电和其所伴随的电光、雷声、热量。

点电荷带电粒子时常被称为电荷，但电荷本身并非粒子，只是为了方便描述，可以将它想像成粒子。带电量多者称为具有较多电荷。处于一外电场的带电粒子，其所感受到的外电场的库仑力相依于其带电量。

点电荷是带电粒子的理想模型。真正的点电荷并不存在，只有当带电粒子之间的距离超大于粒子的尺寸，或是带电粒子的形状与大小对于彼此相互施加的作用力的影响能够被忽略时，可称此带电体为“点电荷”。

一个实际带电体能否视为点电荷，不仅与带电体本身有关，还取决于问题的性质和精确度的要求。点电荷是建立基本规律时必要的抽象概念，也是分析复杂问题时不可少的分析手段。例如，库仑定律、劳仑兹力定律的建立，带电体所产生的电场以及几个带电体之间彼此相互作用的定量研究，试验电荷的引入等等，都应用了点电荷的观念。

束缚电荷与自由电荷有时候，虽然物体的总电量等于零，电荷分布可能会不均匀（例如，因为存在着外电场）。对于这状况，这物质称为电极化物质。束缚电荷是由于电极化而出现的电荷，束缚于原子内部。与束缚电荷明显不同，自由电荷是从外部置入的额外的电荷，不被束缚于原子内部。带电粒子朝着某方向的运动形成了电流，特别是在金属内部运动的电子。

粒子的电荷在粒子物理学中，许多粒子都带有电荷。电荷在粒子物理学中是一个相加性量子数，电荷守恒定律也适用于粒子，反应前粒子的电荷之和等于反应后粒子的电荷之和，这对于强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用都是严格成立的。

反粒子带有的电荷与对应粒子带有的电荷，电量相同，电性相异。夸克带有非整数电荷，不是-e/3，就是2e/3；但是科学家从未观察到单独夸克的存在（这事实可以用渐近自由（Asymptotic freedom）的理论来解释）。

参见镜像法

静电放电

摩擦起电效应（triboelectric effect）

电势能

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所