Vật lý đại cương 2

MỤC LỤC CHƢƠNG TRƢỜNG TĨNH ĐIỆN §1 ĐIỆN TÍCH – ĐỊNH LUẬT COULOMB §2 ĐIỆN TRƢỜNG §3 ĐỊNH LÍ OSTROGRADXKI – GAUSS (O - G) 13 §4 CÔNG CỦA LỰC ĐIỆN TRƢỜNG – ĐIỆN THẾ, HIỆU ĐIỆN THẾ 19 BÀI TẬP CHƢƠNG 26 CHƢƠNG VẬT DẪN 30 §5 VẬT DẪN CÂN BẰNG TĨNH ĐIỆN 30 §6 ĐIỆN DUNG – TỤ ĐIỆN 35 BÀI TẬP CHƢƠNG 42 CHƢƠNG ĐIỆN MÔI 44 §7 HIỆN TƢỢNG PHÂN CỰC Ở CHẤT ĐIỆN MÔI 44 §8 ĐIỆN TRƢỜNG TRONG CHẤT ĐIỆN MÔI 48 BÀI TẬP CHƢƠNG 51 CHƢƠNG DỊNG ĐIỆN KHƠNG ĐỔI 52 §9 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ DÒNG ĐIỆN 52 §10 ĐỊNH LUẬT OHM 55 §11 QUY TẮC KIRCHHOFF 61 §12 CƠNG, CƠNG SUẤT CỦA DỊNG ĐIỆN 64 BÀI TẬP CHƢƠNG 68 CHƢƠNG 5: TỪ TRƢỜNG CỦA DỊNG ĐIỆN KHƠNG ĐỔI 69 §13 KHÁI NIỆM TỪ TRƢỜNG VÀ CÁC ĐẠI LƢỢNG ĐẶC TRƢNG 69 §14 ĐƢỜNG CẢM ỨNG TỪ - TỪ THÔNG 71 §15 CÁC ĐỊNH LÝ QUAN TRỌNG VỀ TỪ TRƢỜNG 72 §16 LỰC TỪ TÁC DỤNG LÊN DỊNG ĐIỆN 73 BÀI TẬP CHƢƠNG 76 CHƢƠNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 78 §17 CÁC ĐỊNH LUẬT VỀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 78 §18 MỘT SỐ HIỆN TƢỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ ĐẶC TRƢNG 80 BÀI TẬP CHƢƠNG 76 CHƢƠNG ĐIỆN TỪ TRƢỜNG 86 §19 HAI LUẬN ĐIỂM CỦA MAXWELL 86 §20 HỌC THUYẾT MAXWELL VỀ ĐIỆN TỪ TRƢỜNG 88 BÀI TẬP CƢƠNG 91 PHỤ LỤC 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO 97 CHƢƠNG TRƢỜNG TĨNH ĐIỆN §1 ĐIỆN TÍCH – ĐỊNH LUẬT COULOMB ĐIỆN TÍCH 1.1 Điện tích vật nhiễm điện - Có loại điện tích âm dƣơng - Vật nhiễm điện âm dƣơng: Vật có số electron nhiều số proton nhiễm điện âm ngƣợc lại vật có số electron số proton nhiễm điện dƣơng electron mang điện tích âm, proton mang điện tích dƣơng độ lớn điện tích electron độ lớn điện tích proton - Hai vật nhiễm điện loại đẩy nhau, nhiễm điện khác loại hút - Điện tích vật ln bội “điện tích nguyên tố” ( e = 1,6.10-19 C) 1.2 Chất dẫn điện, chất cách điện Về phƣơng diện điện, chất đƣợc chia làm dạng sau: 1.2.1 Chất dẫn điện Có điện tích (electron, ion) di chuyển tự Ví dụ: kim loại, chất điện phân… 1.2.2 Chất cách điện (điện mơi) Là chất mà khơng có điện tích di chuyển tự do.Ví dụ: thuỷ tinh, nhựa, nƣớc tinh khiết,… 1.2.3 Chất (hợp chất) bán dẫn Các chất bán dẫn đơn chất chất tạo ngun tố thuộc phân nhóm nhóm IV bảng hệ thống tuần hồn ngun tố hóa học Có hai loại chất bán dẫn đơn chất chất bán dẫn đơn chất tinh khiết chất bán dẫn đơn chất có pha tạp chất; Chất bán dẫn có pha tạp chất lại có hai loại bán dẫn loại n bán dẫn loại p Các chất bán dẫn hợp chất GaAs, CdTe, ZnS,…nhiều xít, sunfua, sêlenua, telurua…và số pôlime 1.3 Thuyết điện tử giải thích nhiễm điện vật dẫn 1.3.1 Thuyết điện tử - Vật chất đƣợc cấu tạo từ nguyên tử Nguyên tử gồm hạt nhân mang điện tích dƣơng electron quay xung quanh Ở trạng thái thƣờng, nguyên tử trung hoà điện - Khi ngun tử electron, mang điện tích dƣơng (ion dƣơng) Khi nguyên tử nhận electron, mang điện tích âm (ion âm) - Các electron chuyển động tự từ nguyên tử sang nguyên tử khác, từ vật sang vật khác gây nhiễm điện vật Thuyết giải thích tƣợng điện dựa vào di chuyển electron gọi thuyết điện tử 1.3.2 Ứng dụng thuyết điện tử giải thích số tượng - Vật dẫn kim loại: Trong kim loại, electron chuyển động tự (e dẫn) kim loại có tính dẫn điện - Điện mơi : Trong chất điện môi, electron bị liên kết chặt chẽ với ion nút mạng, khơng thể chuyển động tự nên không dẫn điện - Nhiễm điện cọ xát: Giả sử cọ xát thuỷ tinh vào lụa, số electron từ thuỷ tinh chuyển sang lụa Kết thuỷ tinh thiếu electron nên mang điện dƣơng, lụa thừa electron nên mang điện âm A B - Nhiễm điện tiếp xúc: Giả sử cho kim loại A chƣa nhiễm điện tiếp xúc với B (mang điện âm); số Hình 1.1: Nhiễm điện hƣởng ứng electron từ B chuyển sang A làm A tích điện âm (giống B) - Nhiễm điện hƣởng ứng Thanh kim loại B trung hòa điện đặt gần vật A nhiễm điện âm electron kim loại B bị đẩy xa vật A Do đầu kim loại B xa vật A thừa electron nên nhiễm điện âm, đầu kim loại B gần vật A thiếu electron nên nhiễm điện dƣơng Vậy thực chất nhiễm điện hƣởng ứng phân bố lại điện tích kim loại 1.4 Định luật bảo tồn điện tích Trong hệ lập điện, tổng đại số điện tích hệ khơng thay đổi (đƣợc qi = const bảo tồn) : ĐỊNH LUẬT COULOMB Điện tích điểm: Là vật tích điện có kích thƣớc nhỏ nhiều so với khoảng cách chúng (khoảng cách khảo sát) 2.1 Định luật Coulomb chân không Biểu thức: F = q1 k q1 q r2    q1 q r12   F21 Dạng véctơ : F12  k r12 r12 (1.1)  F21  F12 q1 q2  F21  Với F12 lực q1 tác dụng lên q2 q2  F12 Hình 1.2: Tƣơng tác điện tích điểm F21 lực q2 tác dụng lên q1 r12 véctơ đơn vị hƣớng từ q1 tới q2 r12   - Khi q1 q2 > (hai điện tích dấu): F12 chiều r12 (Lực đẩy)   - Khi q1 q2 < (hai điện tích trái dấu): F12 ngƣợc chiều r12 (Lực hút) k= 4 : số điện, hệ SI   8,85.10 12 C / Nm2 , k = 9.109 Nm2/C2 2.2 Định luật Coulomb môi trƣờng () Độ lớn: F = k q1 q r  Dạng véctơ : F12   q1 q 4 0 r q1 q  r12 4 0 r123 (1.2)  số điện môi,  phụ thuộc môi trƣờng đặt điện tích, số điện mơi  khơng có đơn vị Hằng số điện môi cho biết lực tƣơng tác điện tích đặt điện mơi giảm lần so với đặt chúng chân không 2.3 Nguyên lý chồng chất lực điện Khi điện tích q đặt hệ điện tích điểm q1, q2, …, qn lực tĩnh điện tác dụng lên q0 là: F1  F1  F2   Fn   Fi (1.3) Với Fi lực tĩnh điện qi tác dụng lên điện tích q0 * Chú ý: Các công thức (1.1), (1.2), (1.3) áp dụng đƣợc tính lực tƣơng tác hai cầu tích điện đặt lập, r tính từ khoảng cách tâm hai cầu 2.4 Ứng dụng tƣơng tác điện tích - Máy lọc bụi, thiết bị thu gom tro bụi ống khói nhà máy - Phun sơn tĩnh điện, máy in phun tĩnh điện, máy photocopy - Bao gói thực phẩm… §2 ĐIỆN TRƢỜNG KHÁI NIỆM ĐIỆN TRƯỜNG Hai điện tích điểm q1, q2 đặt gần nhau, chúng tƣơng tác điện với Bản chất tƣơng tác điện tích gì? Nhà bác học ngƣời Anh Michael Faraday ngƣời đƣa khái niệm điện trƣờng: “Điện trƣờng dạng vật chất quanh hạt mang điện tác dụng lực lên điện tích khác đặt nó” Với khái niệm điện trƣờng ta hiểu chất tƣơng tác hai điện tích hai điện tích q1, q2 đặt gần nhau, q1 gây quanh điện trƣờng, điện trƣờng tác dụng lực F12 lên q2, đồng thời điện trƣờng q2 gây quanh tác dụng lực F21 lên q1 VÉCTƠ CƯỜNG ĐỘ ĐIỆN TRƯỜNG Đặt điện tích điểm q1, q2,…, qn điểm điện trƣờng,    lực tác dụng lên chúng lần lƣợt F1 , F2 ,, Fn     Fn F1 F2 Thí nghiệm chứng tỏ:   E q1 q qn (1.4)  E gọi véctơ cƣờng độ điện trƣờng  Định nghĩa: Véctơ cƣờng độ điện trƣờng E điểm đại lƣợng đặc trƣng cho điện trƣờng phƣơng diện tác dụng lực Đo lực điện trƣờng tác dụng lên đơn vị điện tích dƣơng (+) đặt điểm Biểu thức: E  F , q = +1(C) E  F q Trong hệ SI, đơn vị đo cƣờng độ điện trƣờng Vôn/met (V/m) Newton/Coulomb (N/C) Đặt điện tích q vào nơi có cƣờng độ điện trƣờng điện trƣờng tác dụng lên q lực: F  qE Nhận xét: q>0 F  E q hƣớng vào gần q q < + Độ lớn : Er  Hình 2.1: Vectơ cƣờng độ điện trƣờng điểm q 4 0 r + Điểm đặt: điểm ta xét (M) ĐIỆN TRƯỜNG DO HỆ ĐIỆN TÍCH GÂY RA * Với hệ điện tích điểm Xét điểm M hệ điện tích điểm q1, q2,…, qn Lực tác dụng lên điện tích thử q0 đặt M:      F  F1  F2    Fn   Fi     F  Fi  Fi E      Ei q0 q0 q0 (1.6) nguyên lí chồng chất điện trƣờng * Điện trƣờng gây vật mang điện (hệ điện tích phân bố liên tục) Chia vật thành yếu tố vi phân dV mang điện tích dq Khi ta coi dV nhƣ điện tích điểm mang điện tích dq   E   dE   vat V dq  r 4 0 r mang mật độ điện tích dài  , Q ): l  dE M Q >0 - Vật mang điện dây dài l, (   r dq (1.7) Hình 2.2: Điện trƣờng gây vật mang điện dq = .dl   E   dE   Từ (1.7) ta có: vat L .dl  4 0 r r (1.8) - Vật mang điện mặt S có mật độ điện tích mặt  , (   Q ) S dq = .dS   Từ (1.7) có: E   dE   vat S  dS  4 0 r r (1.9) - Vật mang điện dạng khối tích V, mật độ điện tích khối  , (   Q ) V dq = .dV   Từ (1.7) có: E   dE   vat V 4 0  dV  r3 r (1.10)  THÍ DỤ VỀ XÁC ĐỊNH VÉCTƠ CƯỜNG ĐỘ ĐIỆN TRƯỜNG E  5.1 Xác định E lƣỡng cực điện * Lƣỡng cực điện: Lƣỡng cực điện hệ gồm hai điện tích điểm (q, -q) đặt cách khoảng d (d 0)   Véctơ moment lƣỡng cực (moment điện): Pe   Pe  q.d +q d -q  pe (1.11) Hình 2.3: Véctơ mơmen lƣỡng cực điện  ( d có hƣớng từ -q tới q) * Bài toán Cho lƣỡng cực điện, xác định véctơ cƣờng độ điện trƣờng A nằm trung trực lƣỡng cực B nằm trục lƣỡng cực Xét điểm A nằm trung trực lƣỡng cực cách lƣỡng cực đoạn rA    Ta có: E A  E  E Với E  E  q 4 0 r  E  EA  E  E A có phƣơng song song với  trục lƣỡng cực, ngƣợc chiều d Độ lớn: EA = 2E+cos = d qd  4 0r 2r 4 0r -q  O  d q  E B  EB 2q Dạng véctơ :  EA     Pe  Pe  4 0r 4 0rA (do d