Bài giảng Vật lý 1 và thí nghiệm: Phần 2

Nối tiếp phần 1, Bài giảng Vật lý 1 và thí nghiệm: Phần 2 tiếp tục cung cấp cho học viên những kiến thức về trường tĩnh điện, điện thông và định lý Ostrogratski-Gauss đối với điện trường; vật dẫn, điều kiện và tính chất vật dẫn cân bằng tĩnh điện; điện môi, điện trường tổng hợp trong chất điện môi; từ trường của dòng điện không đổi; hiện tượng cảm ứng điện từ; vật liệu từ; trường điện từ;... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!

Phụ lục: Các số vật lý thường dùng HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG ========== BÀI GIẢNG MƠN HỌC VẬT LÝ VÀ THÍ NGHIỆM Biên soạn: HÀ NỘI – 2010 TS LÊ THỊ MINH THANH ThS HOÀNG THỊ LAN HƯƠNG ThS VŨ THỊ HỒNG NGA Phụ lục: Các số vật lý thường dùng CHƯƠNG VII TRƯỜNG TĨNH ĐIỆN Các điện tích đứng yên tạo xung quanh chúng môi trường vật chất đặc biệt, gọi trường tĩnh điện §1 NHỮNG KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU Mặc dù tượng tự nhiên thể nhiều vẻ khác nhau, vật lý học đại cho chúng thuộc bốn dạng tương tác bản: tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ, tương tác yếu tương tác mạnh; số tương tác hấp dẫn tương tác điện từ tương tác phổ biến Đối với vật thể thơng thường tương tác hấp dẫn yếu ta bỏ qua Nhưng tương tác điện từ nói chung đáng kể, chí nhiều đáng kể Sự nhiễm điện vật Hai loại điện tích Thực nghiệm xác nhận rằng, cọ xát thủy tinh vào lụa hay êbơnit vào lơng thú thủy tinh êbơnit có khả hút vật nhẹ Ta nói rằng, chúng bị nhiễm điện hay xuất điện tích Trong tự nhiên có hai loại điện tích: điện tích dương điện tích âm Người ta quy ước, điện tích xuất thủy tinh sau cọ xát vào lụa điện tích dương; cịn điện tích xuất êbơnit sau cọ xát vào lơng thú điện tích âm Thực nghiệm xác nhận rằng, điện tích vật có cấu tạo gián đoạn số ngun lần điện tích ngun tố Ta nói, điện tích bị lượng tử hóa Điện tích ngun tố điện tích nhỏ biết tự nhiên có độ lớn e  1,6.1019 C Proton electron hạt mang điện tích nguyên tố: proton mang điện tích dương, cịn electron mang điện tích âm e Chú ý rằng, người ta phát hạt quark mang điện tích  ,  2e Tuy nhiên, hạt tồn cách riêng biệt nên ta không lấy điện tích chúng làm điện tích nguyên tố Vật chất cấu tạo nguyên tử Mỗi nguyên tử gồm proton, electron mang điện neutron trung hòa điện Các proton neutron xếp chặt hạt nhân nguyên tử Trong mẫu nguyên tử đơn giản electron chuyển động theo quỹ đạo quanh hạt nhân Ở trạng thái bình thường, số proton electron nguyên tử luôn nên tổng đại số điện tích nguyên tử khơng Ta nói, ngun tử trung hòa điện Nếu lí mà ngun tử (hoặc nhận thêm) vài electron trở thành phần tử mang điện dương (hoặc âm) gọi ion dương (hoặc ion âm) Định luật bảo tồn điện tích 117 Phụ lục: Các số vật lý thường dùng Theo thuyết điện tử, trình nhiễm điện thủy tinh cọ xát vào lụa q trình electron chuyển dời từ thủy tinh sang lụa Điều làm cho thủy tinh trở thành vật mang điện dương Như vậy, chất cọ xát khơng tạo điện tích mà làm cho điện tích chuyển từ vật sang vật khác, làm tính trung hịa điện vật q trình Đây nội dung định luật bảo toàn điện tích, phát biểu sau: Các điện tích không tự sinh mà khơng tự mất đi, chúng chỉ có thể truyền từ vật sang vật khác hoặc dịch chuyển bên vật Hay: Tổng đại số điện tích hệ cô lập không đổi Phân loại vật dẫn Xét tính dẫn điện, ta phân loại chất sau: Chất dẫn điện chất có hạt mang điện tích chuyển động tự tồn thể tích vật Thí dụ: kim loại, dung dịch muối, axit, bazơ,… Chất cách điện, hay gọi điện mơi, chất khơng có điện tích tự mà điện tích xuất đâu định xứ Thí dụ: thủy tinh, êbônit, cao su, nước nguyên chất,… Chất bán dẫn chất có tính dẫn điện trung gian chất dẫn điện cách điện Ở nhiệt độ thấp, chất bán dẫn dẫn điện kém, nhiệt độ cao, tính dẫn điện tăng dần Thí dụ: silic, germani,… Chất siêu dẫn chất mà điện tích chuyển động qua chúng khơng gặp cản trở Năm 1911, nhà vật lí người Hà Lan, Kammerlingh Onnes (1853 – 1926) phát thủy ngân rắn hoàn toàn điện trở (tức trở thành chất siêu dẫn) nhiệt độ 4,2K §2 ĐỊNH LUẬT COULOMB Điện tích điểm: Điện tích điểm vật mang điện tích có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách từ điện tích tới những điểm hoặc những vật mang điện khác mà ta khảo sát Khái niệm điện tích điểm có tính tương đối Charles Coulomb nhà vật lí học người Pháp Ban đầu ơng nghiên cứu xoắn sợi dây nhỏ tìm cơng thức mối liên hệ góc xoắn moment lực tác dụng lên dây xoắn Trên sở này, năm 1784 ơng chế tạo cân xoắn xác Hình 7-1 (hình 7-1) khảo sát lực tương tác tĩnh điện điện tích Năm 1785 Coulomb tổng kết kết thí nghiệm phát biểu thành định luật mang tên Để ghi nhận cơng lao ơng, đơn vị điện tích hệ SI gọi Coulomb (kí hiệu C) 118 Phụ lục: Các số vật lý thường dùng Định luật Coulomb chân khơng: Giả sử có hai điện tích điểm q1 q đặt cách khoảng r Định luật Coulomb phát biểu sau: " Lực tương tác tĩnh điện giữa hai điện tích q1 q2 đặt chân khơng, có phương nằm đường thẳng nối hai điện tích, có chiều phụ thuộc vào dấu hai điện tích (đầy hai điện tích dấu, hút hai điện tích trái dấu), có độ lớn tỷ lệ thuận với tích số q1, q2 tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách r giữa hai điện tích đó" Ta biểu diễn định luật Coulomb dạng véc tơ: F12  k q1 q r12 r2 r F21  k ; q1 q r21 r2 r (7-1) F12 lực q1 tác dụng lên q2 ; F21  lực q2 tác dụng lên q1; r21 bán kính vector  hướng từ điện tích q2 đến điện tích q1; r12 bán F21 q1 Hình 7-2 Lực tương tác giữa hai điện tích điểm Trong hệ SI:  N.m   9.109   40  C  với 0  F12 q2 q1 Lực q tác dụng lên điện tích q1 F21  F12 hệ số k  q2 F21 kính vector hướng từ điện tích q1 đến điện tích q2; k hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào đơn vị sử dụng, F12 r 21  C2  109  8,86.10 12   36  N.m  gọi số điện Thực nghiệm chứng tỏ, lực tương tác hai điện tích đặt mơi trường giảm ε lần so vơi chân không Biểu thức véc tơ định luật Coulomb môi trường có dạng: F12  k q1 q r12 ; r r F21  k q1 q r21 r r  đại lượng không thứ nguyên đặc trưng cho tính chất điện mơi trường gọi số điện môi Dưới số điện môi số chất: Chất Chân khơng Khơng khí Êbơnit Thủy tinh Nước ngun chất Hằng số điện mơi 1,0006 2,7 ÷ 2,9 ÷ 10 81 Nguyên lý chồng chất lực điện Định luật Coulomb cho phép ta xác định lực tương tác tĩnh điện hai điện tích điểm Để xác định lực tương tác hai vật mang điện ta cần phải kết hợp ngun lí chồng chất lực Trường hợp hệ điện tích phân bố gián đoạn: Giả sử điện tích q đặt khơng gian chịu tác dụng lực F1 , F2 , F3 , ,Fn gây hệ điện tích điểm 119 Phụ lục: Các số vật lý thường dùng q1 , q , q , ,q n Khi đó, theo ngun lí chồng chất lực, lực tổng hợp F hệ điện tích tác dụng lên điện tích q là: n F  F1 + F2 + F3   Fn   Fi i 1 (7-2) Trường hợp hệ hai vật mang điện bất kì phân bố liên tục: Để xác định lực tương tác tĩnh điện hai vật đó, ta coi vật mang điện hệ vơ số điện tích điểm Khi đó, lực tương tác tĩnh điện tác dụng lên vật tổng vector tất lực hệ điện tích điểm vật tác dụng lên điện tích điểm vật Chú ý: Người ta chứng minh rằng, lực tương tác tĩnh điện hai cầu mang điện xác định định luật Coulomb coi r khoảng cách hai tâm cầu điện tích q cầu điện tích điểm đặt tâm chúng §3 ĐIỆN TRƯỜNG VÀ VÉC TƠ CƯỜNG ĐỘ ĐIỆN TRƯỜNG Khái niệm điện trường Thực nghiệm xác nhận hai điện tích điểm ln có lực tương tác tĩnh điện trường hợp chúng đặt chân không Vậy lực tương tác truyền nào, có điện tích, tính chất vật lý khoảng khơng gian bao quanh điện tích có bị biến đổi khơng Trong q trình phát triển vật lý học có hai thuyết đối lập vấn Đó thuyết tác dụng xa thuyết tác dụng gần Thuyết tác dụng xa: - Tương tác điện tích điểm truyền cách tức thời, nghĩa vận tốc truyền tương tác lớn vô hạn - Tương tác thực khơng cần có tham gia vật chất trung gian - Khi có điện tích tính chất vật lý khoảng không gian bao quanh bị biến đổi Như vậy, theo thuyết ta phải thừa nhận có truyền tương tác mà khơng cần có dạng vật chất tham gia, tức phải thừa nhận có vận động phi vật chất Quan niệm trái với học thuyết vật biện chứng, bị bác bỏ Thuyết tác dụng gần: - Tương tác điện tích điểm truyền không tức thời, mà truyền từ điểm tới điểm khác không gian với vận tốc hữu hạn - Tương tác thực với tham gia dạng vật chất đặc biệt, điện trường - Khi có điện tích, điện tích gây khơng gian bao quanh điện trường Điện trường giữ vai trò truyền tương tác từ điện tích đến điện tích khác 120 Phụ lục: Các số vật lý thường dùng Tóm lại, thuyết tác dụng gần phù hợp với quan điểm vật biện chứng khoa học xác nhận Vậy điện trường dạng tồn vật chất bao quanh điện tích Đặc điểm điện trường tác dụng lực lên điện tích đặt Véctơ cường độ điện trường a Định nghĩa Đặc trưng điện trường tác dụng lực lên điện tích nằm Thực nghiệm chứng tỏ rằng: Với điện trường xác định, ta đặt điện tích dương có giá trị đủ nhỏ q (để không làm thay đổi điện trường xét, gọi điện tích thử) vào điểm M điện trường (khi điện tích chịu tác dụng lực điện F ) tỉ số F q0 không phụ thuộc vào q mà phụ thuộc vào vị trí điểm M Ta có: E F  const q0 (7-3) Như vậy, véctơ E đặc trưng cho điện trường điểm M gọi véctơ cường độ điện trường M, độ lớn E gọi cường độ điện trường Nếu ta cho q0  1 E  F, ta định nghĩa véctơ cường độ điện trường sau: Định nghĩa: “Véctơ cường độ điện trường E điểm đại lượng đặc trưng cho điện trường điểm phương diện tác dụng lực, có trị véctơ lực tác dụng điện trường lên đơn vị điện tích dương đặt điểm đó" Trong hệ đơn vị SI, cường độ điện trường có đơn vị đo Vôn/mét: V/m b Lực điện trường tác dụng lên điện tích điểm Nếu biết cường độ điện trường E điểm M điện trường đặt điện tích q vào điểm đó, bị điện trường tác dụng lực ⊕ q>  E  E  F (a) ⊝  F q F chiều với E ( hình 7.3); F =q E (7-4)  Nếu q < F ngược chiều với E ( hình 7.3) Véctơ cường độ điện trường gây điện tích điểm Ta xác định véctơ cường độ điện trường E điểm M cách điện tích q khoảng r Muốn điểm M ta đặt điện tích điểm qo có trị số đủ nhỏ Khi theo định luật Coulomb, lực tác dụng điện tích q lên điện tích qo bằng: kq q r F  o2 r r Véctơ cường độ điện trường điện tích điểm q gây điểm M là: Q M Q  E  r  E M Hình 7- Cường độ điện trường gây điện tích điểm 121 Phụ lục: Các số vật lý thường dùng E kq r r r (7- 5) bán kính véctơ r hướng từ điện tích q đến điểm M Nhận xét: - Nếu q > E ↗↗ r : E hướng xa khỏi điện tích q - Nếu q < E ↗↙ r : E hướng vào điện tích q Véctơ cường độ điện trường gây hệ vật mang điện - Nguyên lý chồng chất điện trường a Cường độ điện trường gây hệ điện tích điểm phân bố rời rạc Xét hệ điện tích điểm q1, q2, , qn phân bố rời rạc không gian Lực tổng hợp tác dụng lên điện tích q đặt điện trường hệ điện tích điểm là:    n F = F1  F2   Fn =  Fi i 1 Véctơ cường độ điện trường tổng hợp M bằng: E = F = q n Fi q i 1 Cũng theo (7-5) số hạng Fi = E i véctơ cường độ điện trường q điện tích qi gây M nên: n E= E i 1 i (7-6) Biểu thức (7-6) biểu thức toán học nguyên lý chồng chất điện trường phát biểu sau: “Véctơ cường độ điện trường gây hệ điện tích điểm tổng véctơ cường độ điện trường gây điện tích điểm hệ” b Cường độ điện trường gây hệ điện tích điểm phân bố liên tục Để tính cường độ điện trường gây vật ta tưởng tượng chia vật thành nhiều phần nhỏ cho điện tích dq phần xem điện tích điểm Nếu gọi d E véctơ cường độ điện trường gây điện tích dq điểm M cách dq khoảng r véctơ cường độ điện trường vật mang điện gây điểm M xác định tương tự theo công thức (7-6)   r E =  dE =  k dq (7ca vat r ca vat 7) Ta xét số trường hợp cụ thể sau đây: + Nếu vật sợi dây (L) với mật độ điện tích dài  (C/m) điện tích vi phân độ dài dl dq = dl 122 Phụ lục: Các số vật lý thường dùng Khi dl   k r  dE = E= r L L (7-8) + Nếu vật mang điện mặt S với mật độ điện tích mặt  (C/m2) điện tích vi phân diện tích dS dq = dS Khi đó: E=  d E  = k S S  dS  r r (7-9) + Nếu vật mang điện khối tích V với mật độ điện tích khối (C/m3) điện tích thể tích vi phân dV dq = dV Khi đó:  E =  dE =  k V V dV  r r (7- 10) Ví dụ: a - Tính cường độ điện trường gây dây thẳng dài vô hạn tích điện đều, mật độ điện dài   điểm cách dây khoảng r dq  dx Ta chia dây thành nhiều phần có độ dài dx, điện tích dq: Điện tích dq coi điện tích điểm gây M vector cường độ điện trường dE có phương chiều hình vẽ có độ lớn: dE  + dq  dx N+ dq l 40 r  x2   Do tính đối xứng nên điện trường tổng hợp E có phương vng góc với dây tích điện hướng xa dây (   ) Vậy, chiếu lên phương MH ta được: E   dEn   dEcos Thay r Mà: cos  nên: E   dEcos  r  x2 d x  r tan   dx  r cos2  + + + + + + + + + + x  dEn E r M H dE ; l 40  dqcos3  r  ta tới kết quả: Trong trường hợp tổng quát: E   20 r  40  Hình7- Dây thẳng tích điện dxcos3  r2  E 40 r    cos.d  2 r   (7- 11) b- Lưỡng cực điện Lưỡng cực điện hệ hai điện tích điểm có độ lớn trái dấu +q –q, cách đoạn l nhỏ so với khoảng cách từ lưỡng cực điện tới điểm xét trường Véctơ mômen lưỡng cực điện định nghĩa là: 123 Phụ lục: Các số vật lý thường dùng  (7-12) p e = ql  l véctơ khoảng cách hai điện tích đó, hướng từ điện tích (-q) đến (+q) Đường thẳng nối hai điện tích gọi trục lưỡng cực điện Cường độ điện trường điểm M nằm mặt phẳng trung trực lưỡng cực E ( ) Theo nguyên lý chồng chất điện trường cường độ điện trường M là: E ( ) r E M = E ( ) + E ( ) Ө E ( ) E ( ) có hướng hình 7- có độ lớn r+ O pe +q l Theo định nghĩa lưỡng cực điện, l