Cơ sở vật lí tập 4, điện học tập 4 điện học

| | | DAVID HALLIDAY - ROBERT RESNIGK - JEARL WALKER SỞ VẬT LÍ ^ _9 TẬPBỐN - ĐIỆN HỌC ĐIỆN TÍCH z2 Nếu bạn thích để rốt nghỉ uới bóng tối chừng lỗ phút nhìn người bạn đơng n„hdi hẹo tuinfergreen ` liƒesduer, bạn thấy có tia sớng xanh yếu từ mồm người bạn anh tq nhai (Thay bạn ép kẹo cới kim ảnh) Nguyên nhân sớứng (thường gọi "phớt tia lửa") ? Bản thôn tên gọi gợi ý 23-1 ĐIỆN TÙ HỌC có Các nhà triết học Hy Lạp cổ biết cọ xát miếng hổ phách, sát quan từ tiếp trực thể hút mẩu cọng rơm Có đường dây phát triển liên hệ mạnh mẽ cổ xưa thời đại điện tử mà sống (Mối nghĩa hổ phách) thể chỗ từ "êlectrôn" bắt nguồn từ chữ Hy Lạp có ta gọi quặng Người Hy Lạp biết số "đá" thiên nhiên mà ngày người manhêtit hút sắt š mơn Đớ nguồn gốc tự nhiên khoa học điện từ Hai năm đến phát triển cách độc lập qua nhiều kỉ Cho khoa học 1820 dây Hans Christian Oersted tìm thấy mối liên hệ chúng : dịng điện điều dẫn thể làm lệch kim la bàn Lí thú Oẽrsted phát chuẩn thí nghiệm chứng minh giảng cho sinh viên vật lí điện từ) Một khoa học điện £ừ học (sự kết hợp tượng nhà bác học phát triển nhiều nhà bác học nhiều nước Một tài có tài trực xuất sắc Michael -Faraday, nhà thực nghiệm thiên chứng thực giác hình dung tượng vật lí Tài phương trình sổ ghi chép thực nghiệm ơng, khơng có ý tưởng Faraday Vào kỉ 19, James Clerk Maxwell, người thể sở lí thuyết cho dạng toán học, đưa vào nhiều ý tưởng đặt : điện từ học ngày gọi Bảng 37.2 cho thấy định luật điện từ học mà tới phương trình phương trình Maxwell Sau nhiều chương trước đích đó, bạn muốn nhìn qua chúng để biết trị giống Các phương trình Maxwell điện từ học đóng vai nhiệt định luật Newton chuyển động học cổ điển định luật động học nhiệt học sáng Sự phát minh ví đại Maxwell điện từ học coi ánh túy điện sóng điện từ đo vận tốc ánh sáng phép đo khoa học điện từ Với khám phá đó, Maxwell nối liền quang học cổ điển với tượng điện từ từ Heinrich Hertz tiến bước khổng lồ tạo radio ngắn (Cịn mà ơng gọi "sóng Maxwell", cịn gọi sóng thực tế sau đó, Marconi người khác phát triển với ứng dụng giới để giải tượng) Ngày phương trình Maxwell dùng khấp hàng loạt tốn kí thuật thực tế 23-2 ĐIỆN TÍCH tạo tia lửa điện Nếu bạn thảm thời tiết khơ, bạn truyền hình đưa ngón tay đến gần núm vặn cửa kim loại Thông báo 23 - 1) Ở mức độ báo động cho vấn đề "bám dính tĩnh điện" (Hình lớn chớp quen thuộc với người Tất tượng biểu - đơn giản lượng lớn điện tích chứa vật bao quanh thể MU Th Mọi vật giới quanh ta mà ta nhìn thấy sờ mớ chứa lượng lớn điện tích ; nhiên điều thường bị che giấu vật chứa lượng hai loại điện tích : điện tích dương điện tích ơm Vì -; (hay bờng) điện tích, vật gọi rung hòa điện ; nghĩa tổng điện tích vật khơng vật khơng tương tác điện với vật khác Nếu hai = HÌNH 23-1 Sự dính tĩnh điện, tượng thấy loại điện tích khơng cân thời tiết khơ làm cho mẫu giấy dính vào vào vật có tổng điện tích khác tương tác với không vật lược làm chất dẻo làm cho áo quần bạn dính vào người khác, nhận biết cố tồn điện tích tổng vật Ta nới vật ¿ích điện biểu thị có khơng cân điện tích vật có điện tích tổng khác khơng (mọi khơng cân “ nhỏ so với lượng điện tích tồn phần điện tích dương âm chứa vật) Các vật tích điện tương tác cách tác dụng lực lên Để chứng tỏ điêu đớ, trước hết ta tích điện cho thủy tỉnh cách cọ xát đầu vào mảnh lụa Ở điểm tiếp xúc lụa, lượng nhỏ điện tích chuyển từ vật sang vật khác, làm trung hòa điện vật (Ta cọ xát lụa với để làm tăng số điểm tiếp xúc tăng lượng điện tích, ít, di chuyển từ vật sang vật kia) Bây ta treo sợi đưa thủy tỉnh thứ hai, tích điện cách tương-tự đến gần hình 23 - 2a, hai đẩy Tuy nhiên, ta cọ xát chất dẻo vào lông thú đưa lại gần treo hình 23 - 2b, hai hút Ta hiểu hai thí nghiệm chứng minh nhờ điện tích dương âm Khi thủy tỉnh xát vào lụa, thủy tỉnh : ca số điện tích âm Đc có lượng nhỏ điện : tích sac dương không cân (được biểu thị dấu +trên hình 23 - 2a) Khi nhựa xát vào lông thú, nhựa thu lượng nhỏ : rgF - _— XS @) : _) HÌNH 23-2 a) tích điện đẩy b) tích điện trái dấu hút *1-CSVL _ điện tích âm khơng cân (được biểu thị dấu - hình 23 - 2b) Hai thí nghiệm chứng minh dẫn đến điều sau : Các điện tích đẩy điện tích khác hút Các điện tích điện tích có tích khác nhau dấu ; điện ngược dấu Trong phần 23 - ta thể quy tắc dạng định lượng định luật Coulomb //c £h điện (hoặc điện lực) điện tích Thuật ngữ £ửuh điện dùng để nhấn mạnh điện tích đứng yên chuyển động chậm đối S *x Ề với Cách gọi "dương" "âm" dấu điện tích Benjamin Loại dính`của bao gói thực phẩm chất dẻo làm dính với vỏ hộp nhờ lực hút tĩnh điện vùng tích điện bể mặt bao gói vùng tích điện gây vỏ hộp Bao gói thực phẩm chất dẻo làm cho tích điện sau sản xuất chất dẻo chất cách điện Franklin chọn cách tùy ý Ông dễ dàng đảo tên gọi hai loại dùng cặp tên gọi đối ngược khác để phân biệt hai loại điện tích (ranklin nhà khoa học danh tiếng quốc tế Người ta ca ngợi thành cơng lớn Franklin lính vực ngoại giao Pháp suốt chiến tranh giành độc lập Hoa Kì, mà ơng đạt ơng coi ˆ nhà khoa học đánh giá cao) nên điện tích bất động Sự hút đẩy vật tích điện có nhiều ứng dụng cơng nghiệp, có phun sơn tỉnh điện phủ bột, thu gom tro bay ống khói, in tỉa mực photocopy Hình 23 - chẳng hạn, cho thấy hạt mang nhỏ máy phôtô copy Xerox bao hạt bột đen, gọi /oner, dính vào nhờ lực tỉnh điện Các hạt toner tích điện âm cuối bị hút từ hạt mang sang hình ảnh tích điện dương tài liệu cần chụp tạo trống quay Sau tờ giấy tích điện hút hạt toner từ trống - nhờ nhiệt chúng làm chảy chỗ để tạo thành HÌNH 23-3 Hạt mang máy phơtơcopy Xerox phủ hạt mực Các hạt mực dính vào nhờ lực hút tĩnh điện Dường kính hạt cố 0,3mm 23-3 CHẤT DẪN ĐIỆN VÀ CHẤT CÁCH ĐIỆN Trong số chất kim loại, nước vòi nước máy thể người, số điện tích âm di chuyển tương đối dễ dàng Th gọi vật liệu uộ¿ dẫn Trong chất khác thủy tỉnh, nước tỉnh khiết mặt hóa học, nhựa, khơng có điện tích chuyển động tự Ta gọi chất chốt cách điện điện mơi : : Nếu bạn cọ xát đồng vào len giữ tay, bạn khơng thể tích điện cho bạn đồng vật dẫn điện Sự cọ xát gây khơng cân điện tích thanh, điện tích khơng cân dịch chuyển từ qua bạn xuống sản (được nối với mặt đất) trở thành trung hịa điện cách lập đường nhanh chóng vật mặt đất, ta nói „ối đốt vật Và việc làm vật (bằng cách Khi, nối vật dẫn loại trừ trung hịa điện tích HÌNH 23-4 Dây biểu diễn nhào '¡ mà thí nghiệm nghiêm túc thực năm 1774 để chứng tỏ thể người vật dẫn điện Bản khắc cho thấy người treo sợi dây thừng không dẫn điện, tích điện tích điện (có lẽ chạm vào thịt khơng phải vào quần) Khi người đưa mặt, tay trái h‹.:c cầu dẫn điện tay phải đến gần !:.:ng dương âm khơng cân bàng) ta khơn: khí, nối làm cho vật phóng điện (xem hình 23 - ví dụ kì lạ tay bạn giữ qua cán cách điện, bạn tích điện cọ xát, tiếp vào đĩa kim loại, tia lửa điện phóng qua phóng điện phóng điện) Thay giữ loại bỏ đường dẫn xuống đất _ chừng bạn không chạm tay trực Cấu tạo chất điện nguyên tử định tính chất vật dẫn vật cách điện Các nguyên tử gồm có prơtơn tích điện dương, êlectrơn tích điện âm nơtrơn trung hịa điện Các prơtơn nơtrơn xếp chặt (sát nhau) hợí øhơên Trong mẫu nguyên tử đơn giản êlectrôn chuyển động theo : quỹ đạo quanh hạt nhân Điện tích êlectrơn prơtơn có độ lớn trái dấu nhạu Do nguyên tử trung hịa điện chứa số êlectrơn prơtơn Các êlectrôn giữ quỹ đạo quanh hạt nhân chúng có điện tích trái dấu với prơtơn nằm hạt nhân bị hút phía hạt nhân Khi nguyên tử vật dẫn đồng gần để hình thành chất rắn, số êlectrơn ngồi (và bị giữ yếu nhất), khơng cịn bị giữ nguyên tử riêng biệt mà trở thành tự do, di chuyển chất rắn Th gọi êlectrôn di động êlectrơn dẫn Trong chất cách điện có (nếu có) êlectrơn tự - _ Thí nghiệm hình 23.5 chứng minh cho linh động điện tích vật dẫn Một nhựa tích điện âm hút đầu đồng trung hịa Nhiều êlectrơn dẫn đầu gần đồng €đ) bị đẩy đầu xa điện tích âm nhựa Điều làm cho đầu gần thiếu êlectrơn A= HÌNH 23-5 Một Vệ = có lượng điện tích dương khơng cân hút điện tích âm nhựa) Mặc đồng trung hịa điện, có điện tích nghĩa số điện tích dương âm đồng trung hịa đặt lập tách tồn bị hút tích điện gần với dấu tùy ý Trong trường hợp này, êlectrôn dẫn (bị dù cảm ứng, bị điện tích vật khác đồng bị đẩy đầu xa điện tích âm Tương tự, thủy tỉnh tích điện dương: đưa đến gần đầu đồng trung hịa, điện tích cảm ứng xuất êlectrơn nhựa Khi điện tích âm hú dẫn bị hút phía Đầu gần trở nên tích điện âm điện tích dương gần đồng lại đầu : : = _ cịn đầu xa tích điện dương Tuy đồng c= = Ne trung hòa điện, hai hút lẫn Chú ý có êlectrơn có điện tích âm chuyển động vật trở nên tích -điện dương di chuyển điện tích âm Các chết bớn dẫn điện, silic germani, chất trung gian chất dẫn điện cách điện Cuộc cách mạng điện tử làm biến đổi sống nhiều lĩnh vực nhờ dụng cụ bán dẫn Chúng ta nghiên cứu hoạt động chất bán dẫn điện chương 46, mở rộng học Cuối cùng, chế? siêu dẫn Gọi khơng có cản trở chuyển động điện tích qua chúng Khi điện tích qua chất, ta nói có dịng điện tồn Các vật liệu thơng thường, chất dẫn điện thông thường gây cản trở dịng điện tích qua chúng Chẳng hạn, dây dẫn dùng dụng cụ điện cho dịng điện qua tốt, có cản trở nhỏ dòng điện Tuy nhiên, chất siêu dẫn điện trở nhỏ mà thực Nếu bạn thiết lập dịng điện vịng siêu dẫn, tồn không thay đổi chừng bạn cịn quan sát nó, mà khơng cần nguồn điện nguồn lượng khác để trì dịng điện Các chất siêu dẫn phát năm 1911 nhà vật lí người Hà Lan fammerlingh Onnes, người phát thủy ngân rắn hoàn toàn điện trở nhiệt độ 4,2K Cho đến năm 1986, siêu dẫn chưa có ứng dụng vật liệu siêu dẫn biết cần phải làm lạnh xuống chừng 20K có tính siêu dẫn Tuy nhiên năm gần đây, chế tạo vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao nhiều Nhờ đó, kỉ nguyên áp dụng hữu ích chất siêu dẫn tầm tay Siêu dẫn-ở nhiệt độ bình thường khơng cịn điều khơng tưởng : 23-4 ĐỊNH LUẬT COULOMB Lục hút đẩy tính diện hai hạt (hoặc điện tích- điểm) có điện tích qì q; cách khoảng r có độ lớn : qị q; š g=xkx== (25.1) rˆ đớ k số Biểu thức gọi định luệt Coulomb Charles Augustus Coulomb tìm thí nghiệm năm 1785 Thật kì lạ dạng biểu thức giống hệt dạng biểu thức mà Newton tỉm cho độ lớn khoảng r : lực hấp dẫn hai hạt có khối lượng m, m, Ở cách FE=G _ (28.2) r? G số hấp dẫn _ Định luật Coulomb vượt qua kiểm tra thực nghiệm, khơng thấy ngoại lệ Nó ngun tử : mơ tả lực hạt nhân mang điện dương êlectrôn mang điện âm nguyên tử học cổ điển Newton khơng cịn mà phải thay vật lí lượng tử Định luật đơn giản cho phép tính lực liên kết nguyên tử với để tạo thành phân tử, lực liên kết nguyên tử phân tử với để tạo thành chất rắn chất lỏng Bản thân tập hợp hạt nhân điện tử liên kết với lực tính điện — 3= —©#, Trong phương trình 23-1, F độ lớn lề tác ; (2) dụng lên hạt điện tích hạt kia; q¡ q; : độ lớn (hay gió trị tuyệt đối) điện tích hai me =Ẻ S—)/; hạt Hằng số k, tương tự số ›ã; 'ẵấ¬ G, gọi bởng số đỉnh điện Õ hai định luật F (2) = tỈ lệ nghịch với bình phương khoảng cách chứa ;@——> đựng đại lượng đặc trưng cho tính chất : hạt tương tác, khối lượng trường hợp điện ễ = z &) SẼ : tích trường hợp s 4+———>4¿ Š = = = HÌNH 23-6 Hai hạt tích điện cách chỗ lực hấp dẫn khoảng r đẩy lực hút, lực tĩnh điện điện tích chúng (a) dương lực hút lực đẩy tùy thuộc vào dấu điện tích (xem hình 23.6) Sự khác đó= có ngược dấu Trong ba trưởng Các định luật khác : c c - loại khối lượng lại có hai loại điện tích (b) đểu âm (c) chúng hút SA“ hợp, lực tác dụng lên hạt độ lớn ngược chiều với Vì nguyên nhân thực tế để đạt độ lực tác dụng lên hạt xác cao phép đo, đơn vị SI điện tích dẫn xuất từ đơn vị SI dịng điện ampe (A) Đơn vị SĨ điện tích culơng (©) Một culơng điện lượng chuyển qua tiết diện sợi dây dẫn Í giây có dịng 1A chạy qua **1-OSVL, thực nghiệm Trong phần 31-4 ta mô tả culông xác định _ Tổng quát, ta viết (28.3) dq = idt dq (tính culơng) điện tích đồng ¡ (đo ampe) chuyển qua khoảng thời gian dt (giây) số tỉnh Vì lí lịch sử (và để đơn giản hóa nhiều cơng thức khác), định luật Culơng thành điện phương trình 23.1 thường lấy 1/4z£, Khi S CC E= tE ïS ¡nl TH Umnlạ Giae oulom G2 Hằng số phương trình có giá trị —— 41 : = 8,99 x 10? N.m2/C? (23.5) trình Đại lượng £., gọi hàng số điện, xuất phương c„ = 8,85 x 10”!2 C /N.mF (28.6) chất Nếu ta có Cả hai lực hấp dẫn tính điện tuân theo nguyên lí chồng lực tác dụng lên n hạt tích điện, chúng tương tác độc lập theo cặp : : hạt đớ, chẳng hạn hạt 1, xác định tổng vectơ (28.7) ng c F¡, =EF,, † = Lắp, t1 le chẳng hạn lực tác dụng hạt lên hạt Với lực hấp dẫn có cơng thức giống việc nghiên Cuối cùng, hai định lí lớp vỏ mà thấy có Ích cứu hấp dẫn có tương tự tĩnh điện học lớp vỏ -_ Một lớp vỏ tích điện hút đẩy hạt tích điện nằm hệt tất điện tích lớp vỏ tập trung tâm Một lớp vỏ tích điện lớp vỏ khơng tác dụng lực tĩnh điện lên hạt tích điện nằm Ở : Các-uộật dẫn hình cầu Nếu vật liệu điện: tích khơng cân đặt vào vỏ hình cầu làm (ngồi) Chẳng dẫn điện, điện tích khơng cân phân bố bề mặt cầu kim loại hạn ta đặt êlectrôn không cân lên lớp vỏ chúng phân electrơn đẩy dịch xa trải bề mặt deo tất cặp bố mặt cầu Cách xếp cho khoảng cách cực đại êlectrôn không cân êlectrôn không cân Theo định lí thứ lớp vỏ, chúng tập đớ đẩy hút điện tích ngồi giống tất ` : trung tâm vỏ hỉnh cầu tích dương tổng Nếu ta lấy điện tích âm từ lớp vỏ cầu kim loại, điện n êlectrơn có n cộng vỏ trải lớp vỏ Chẳng hạn ta lấy vỏ Theo định lí thứ chỗ có điện tích dương (chỗ bị êlectrơn) trải mặt tồn điện lớp vỏ, lớp vỏ hút đẩy điện tích ngồi hệt tích lớp vỏ tập trung tâm 10 GIẢI TỐN Chiến thuật I Các kí hiệu biểu diễn điện tích Đây hướng dẫn chung cho kí hiệu biểu diễn điện tích Nếu kí hiệu q có không cớ số dùng câu khơng có dấu nghĩa điện tích dương âm Đôi dấu ghi rõ +q -d Khi có vật tích điện xét đến, bạn thấy kí hiệu tương tự với nhân số Chẳng hạn, kí hiệu +2q biểu thị điện tích dương có độ lớn lần điện tích q nói trước -3q biểu thị điện tích âm có độ lớn lần điện tích q Trong phương trình vơ hướng chương chương sau, tất kí hiệu cho điện tích biểu thị cho độ lớn Chẳng hạn, bạn cho hạt với điện tích -q, có giá trị -1,60 x 107!2C Khi phương trình 23.4 bạn phải thay độ lớn 1,60 x 101C cho qụ BÀI TỐN MẪU 23-1 Trong hình 23.7a, cầu A B dẫn điện, giống cô lập phương diện điện đặt cách (từ tâm đến tâm kia) khoảng a lớn so với kích thước cầu Quả cầu A có điện tích dương +Q ; cầu B trung hịa điện, đầu khơng có lực tĩnh điện cầu a) Giả thử cầu nối với Anh th nE giây lát dây mảnh +Q@oở Ặ lực @:2¿ | lếc tĩnh điện cầu sau bỏ giây nối @+2⁄2 ¡Ø dẫn Hỏi @:2⁄ | Ì ụ ⁄ Giải Khi () (2) : Œ) () () cầu nối với šIsctrin nhau, Đã 6lectron Ề dân CỦA cầu š B bị hút sang cầu tích điện dương A HÌNH : : s 23-7 Bài tốn mẫu 23-1 Hai cầu A B dẫn điện (a) Để khởi đâu, cầu A tích điện dương (b) Điện tích âm chuyển cầu qua dây nối (c) Cả hai cầu tích điện dương (d) Điện tích âm chuyển qua dây nối đất vào cầu A (e) Quả cầu A trung hịa điện (Hình 23.7b) Khi cầu B điện tích âm, trở nên tích điện dương A thu điện tích âm, trở nên /£¿ dương Sự chuyển dịch điện tích dừng lại điện tích khơng cân B tặng đến +Q/2 A giảm đến +Q/2 (Hình 23.7c) ; điều xuất điện tích - chuyển xong li C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an = cˆ = a`+bˆ - 9qbcosC góc ngồi = A + CC DẤU VÀ KÍ HIỆU TOÁN HỌC xấp xi độ lớn bậc khác với tương đương với, đồng với lớn ( > lớn nhỏ ( nhiều) nhỏ nhiều) lớn (hoặc không bé hơn) LÀ bé (hoặc¬— + cộng trừ œ tỉ lệ với lớn hơn) tổng x : giá trị trung binh + ĐỒNG NHẤT THỨC LƯỢNG GIÁC sin (90 - 9) = cos98 cos sin8Ø (90 — 6) = sin8 = tang8 sin29 + cos”g = sec29 - tang?Ø = I csc”9 - cotg29 = sin29 = 2sinØcos9 cos29 = cos29 - sin29 = 2cos29 - 1 - 9sin29 ) = sinzcos8ổ + coszsinổ cos(œ + ) = coszcosỞ + sinzsinổ sin(œ + tangz + tang? — sinz # sinổ = 1+*tangz S 2sin2 2(= +Ø)cos>3( +) 1 Cosœ + cosỞ' = 2cosz(œ +)cos2(œ ~8) COSđ — coSỞ = ~ 2sina( +/9gins( —8) Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn 13-CSVI C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an DỊNH LÝ NHỊ THỨC : n+x I+>"=1+ + n{n — S2 I+xn=13 KHAI ` TRIỂN + si