Tổng hợp lý thuyết vật lý 12

PHẦN 1: ĐIỆN HỌC – ĐIỆN TỪ HỌC I. DÒNG ĐIỆN 1. Khái niệm a) Thuyết electron Là thuyết căn cứ vào sự chuyển động của các electron để giải thích tính chất điện của các vật và các hiện tượng điện. - Cấu tạo hạt nhân Hạt nhân được cấu tạo từ những hạt nhỏ hơn gọi là nuclon, có 2 loại nuclon: • Proton (p): mang điện tích dương • Notron (n): không mang điện - Cấu tạo nguyên tử Mỗi nguyên tử gồm có hạt nhân mang điện và những electron chuyển động xung quanh. Bình thường nguyên tử ở trạng thái trung hòa về điện, vì lúc đó điện tích dương của hạt nhân có trị số bằng giá trị tuyệt đối tổng điện tích âm của các electron chuyển động xung quanh hạt nhân. - Điện tích nguyên tố + Vật chất được cấu tạo từ những hạt nhỏ bé, riêng biệt được gọi là nguyên tử, phân tử hay gọi chung là các hạt sơ cấp. + Điện tích của một vật là một số nguyên lần điện tích nguyên tố • Electron: là hạt sơ cấp mang điện tích nguyên tố âm.  Điện tích của e: -e = -1,6.10 -19 C  Khối lượng: m = 9,1.10 -31 kg. • Proton: là hạt sơ cấp mang điện tích nguyên tố dương.  Điện tích của p: p = +1,6.10 -19 C  Khối lượng: m = 1,67.10 -27 kg. • Notron: là hạt sơ cấp không mang điện.  Khối lượng của notron xấp xỉ bằng khối lượng của proton. - Thuyết electron + Electron có thể di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. • Nguyên tử mất electron sẽ trở thành hạt mang điện dương gọi là ion dương. • Nguyên tử trung hòa nhận thêm electron sẽ trở thành hạt mang điện âm gọi là ion âm. b) Khái niệm dòng điện - Khái niệm: Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện. - Quy ước: Cho điên trường tác dụng vào một môi trường dẫn điện thì các hạt mang điện trái dấu nhau chuyển động theo các chiều ngược nhau. Tuy nhiên, sự di chuyển của điện tích âm theo một chiều nào đó tương đương với sự di chuyển của điện tích dương cùng trị số theo chiều ngược lại. Vì vậy, người ta quy ước lấy chiều chuyển động của các hạt mang điện dương tạo thành dòng điện làm chiều của dòng điện đó. Như vậy, chiều của dòng điện trong vật dẫn kim loại ngược với chiều chuyển động của các electron tự do tạo thành dòng điện. 2. Chất cách điện và chất dẫn điện a) Chất dẫn điện - Là chất trong đó có nhiều hạt mang điện có thể di chuyển được trong những khoảng lớn hơn nhiều lần kich thước phân tử của vật. VD: kim loại, cơ thể con người… Ta gọi các vật liệu đó là vật dẫn. - Vật dẫn phân làm 2 loại: + Loại 1 (như kim loại) là vật dẫn mà sự dich chuyển điện tích bên trong nó không gây ra một sự biến đổi hóa học nào và cũng không gây ra một dịch chuyển nào có thể thấy của vật thể bên trong nó. + Loại 2 (như dung dịch muối, axit, bazo, gọi chung là dung dịch điện phân) là vật dẫn mà sự dịch chuyển điện tích bên trong nó gắn liền với những biến đổi hóa học, dẫn đến sự giải phóng (thoát ra) một số thành phần vật chất tại chỗ tiếp xúc với các vật dẫn khác. b) Chất cách điện - Là chất trong đó không có hạt mang điện nào có thể chuyển động tự do. VD: thủy tinh, nhựa, cao su, ebonit, hổ phách, sứ… - Cấu tạo, bản chất điện của các nguyên tử quyết định tính chất của vật dẫn, vật cách điện. - Việc phân chia ra vật dẫn và điện môi chỉ có tính chất tương đối vì mọi vật đều ít nhiều dẫn điện. Một vật là cách điện nếu lượng điện tích di chuyển được trong vật là rất nhỏ so với lượng điện tích truyền cho vật. c) Chất bán dẫn: như Si, Ge là chất trung gian giữa các chất dẫn điện và điện môi. d) Chất siêu dẫn: các chất mà trong đó không có sự cản trở nào đối với sự chuyển động của các điện tích qua chúng, nghĩa là mật độ dòng điện trong chất siêu dẫn rất lớn vì điện trở Z=0. 3. Dòng điện trong một số môi trường a) Dòng điện trong kim loại - Kim loại có cấu trúc tinh thể, ở nút mạnh tinh thể là các ion dương, trong khoảng không gian giữa mạng tinh thể là các electron tự do, chuyển động nhiệt hỗn loạn. Kết quả nghiên cứu của hàng loạt thí nghiệm khẳng định rằng: phần tử tải điện trong kim loại là các electron tự do (gọi là electron dẫn). - Dưới tác dụng của điện trường ngoài, các electron tự do này đã chuyển động có hướng để tạo thành dòng điện trong kim loại. + Dòng điện trong kim loại là dòng dịch chuyển có hướng của các electron tự do dưới tác dụng của điện trường. b) Dòng điện trong chất điện phân - Theo thuyết điện li, khi các muối, axit, bazo được hòa tan vào nước, chúng dễ dàng bị tách ra thành các ion trái dấu, gọi là sự phân li. - Khi có điện trường, các ion chịu tác dụng của lực điện nên có thêm chuyển động theo phương của điện trường (ngoài chuyển động nhiệt hỗn loạn). Chuyển động có hướng của các ion tạo nên dòng điện trong bình điện phân. + Dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển dời có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm ngược chiều điên trường. c) Dòng điện trong chân không - Là dòng chuyển dời có hướng của các electron được đưa vào khoảng chân không đó. - Đặc điểm: chỉ chạy theo một chiều nhất định từ anot sang catot bị nung nóng dưới tác dụng của điện trường. d) Dòng điện trong chất khí - Trong những điều kiện bình thường, chất khí hầy như hoàn toàn gồm những nguyên tử hay phân tử trung hòa về điện nên chất khí là điện môi. - Khi ta đốt nóng hoặc dùng các loại bức xạ khác tác động vào môi trường khí thì một số nguyên tử hoặc phân tử khí mất bớt e và trở thành ion dương. Như vậy, do tác dụng bên ngoài mà trong chất khí xuất hiện những hạt mang điện tự do: e, ion dương, ion âm. Hiện tượng này gọi là sự ion hóa chất khí. - Khi có điện trường đặt vào khối khí đã bị ion hóa, các e và ion âm sẽ chuyển động về phía cực dương (anot), các ion dương chuyển động về phía cực âm (catot) tạo nên dòng điện chạy trong chất khí. + Dòng điện chạy trong chất khí là dòng chuyển dời có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm, các e chuyển động ngược chiều điện trường. e) Dòng điện trong chất bán dẫn - Là dòng các e dẫn chuyển động ngược chiều điện trường và dòng các lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trường. - Tùy theo loại tạp chất pha vào bán dẫn tinh khiết, chia làm 2 loại: + Bán dẫn loại n: chủ yếu là dòng e + Bán dẫn loại p: chủ yếu là dòng các lỗ trống. 4. Tác dụng của dòng điện - Tác dụng từ: tương tác từ giữa các dòng điện xuất hiện khi các điện tích chuyển động và phụ thuộc vào tính chất của chuyển động đó. VD: điện thoại - Tác dụng nhiệt: khi dòng điện truyền qua vật dẫn thì làm vật dẫn nóng lên. VD: nồi cơm điện, bàn là… - Tác dụng hóa học: khi dòng điện truyền qua các chất điện phân thì các chất này bị phân tích. - Các tác dụng trên dẫn tới tác dụng cơ học và tác dụng sinh lí của dòng điện • Tác dụng cơ học: khi dòng điện chạy qua các thiết bị điện thì sinh ra một dạng năng lượng mới. VD: quạt trần, máy khoan, ô tô điện… • Tác dụng sinh lí: khi dòng điện chạy qua một cơ thể sống, bất kì sự cản trở dòng điện cũng gây ra sự tiêu hao năng lượng, làm nó nóng lên. Nếu nhiệt lượng sinh ra đủ thì mới có thể bị đốt cháy. VD: co cơ, tê ran khi bị điện giật… 5. Sơ đồ mạch điện và chiều dòng điện a) Chiều dòng điện Là chiều chuyển động của điện tích dương trong điện trường.Như vậy, trong dây dẫn kim loại, chiều dòng điện ngược với chiều chuyển động của các electron. - Dựa trên chiều dòng điện, người ra chia thành: • Dòng điện một chiều: là dòng điện có chiều và cường độ không thay đổi theo thời gian. • Dòng điện xoay chiều: + Là dòng điện có chiều biến đổi theo thời gian. + Được sử dụng nhiều nhất là dòng điện hình sin, biến đổi theo hàm sin của thời gian. • Phân biệt: + Dòng điện xoay chiều 1 pha: do máy xoay chiều 1 pha phát ra, sơ đồ mạch điện của nó thường lắp như dòng điện 1 chiều. + Dòng điện xoay chiều 3 pha: do máy phát điện 3 pha tạo ra, đó là hệ thống gồm 3 dòng điện xoay chiều có cùng biên độ, cùng tần số nhưng lệch nhau về pha một góc 120 o , tức lệch nhau về thời gian 1/3 chu kì. Dòng điện xoay chiều 3 pha thường dùng trong công nghiệp. b) Sơ đồ mạch điện - Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng các dây dẫn tạo thành những vòng kín, trong đó dòng điện có thể chạy qua. Mạch điện thường gồm: nguồn điện, phụ tải, dây dẫn. - Mô hình mạch điện (sơ đồ) có kết cấu hình học và quá trình bang lượng giống như ở mạch điện thực, song các phần tử của mạch điện thực đã được mô hình hóa bằng các thông số: U, I, R, L, C. STT Thông số Kí hiệu Đơn vị 1. Điện trở R  (Ôm) 2. Điện cảm L H (Henry) 3. Điện dung C F (Fara) 4. Điện áp U V (Vôn) 5. Dòng điện I A (Ampe) - Cách mắc dòng điện 1 chiều: + Mắc song song: điểm trở của các trở nằm trên cùng một dây và điểm cuối của các trở nằm trên dây còn lại. Tổng trở của các nhánh song song bằng trở của một trong các nhánh. + Mắc nối tiếp: điểm cuối của trở này là điểm đầu của trở kế tiếp. Tổng trở của các trở nối tiếp bằng tổng từng trở cộng lại. - Cách mắc dòng điện xoay chiều 3 pha: + Mắc hình sao(Y): nối 3 điểm cuối của pha với nhau tạo thành điểm trung tính + Mắc hình tam giác: ta lấy đầu pha này nối với cuối pha kia. 6. Sử dụng điện an toàn và tiết kiệm 6.1 Sử dụng điên an toàn: những sự cố về điện trong nhà thường do sử dụng cẩu thả hoặc không đúng quy cách công năng của những thiết bị điện. Bởi vậy, khi sử dụng điện trong gia đình cần lưu ý: a) Những điều nên làm - Trước khi sửa chữa, phải ngắt nguồn điện, kiểm tra xem mạch điện còn hoạt động hay không. - Những dụng cụ sửa chữa điện cần có: kìm, tuanovit có tay cầm bảo vệ, bang keo cách điện, kìm cắt dây điện. Phải chắc chắn là biết cách sử dụng những dụng cụ đó một cách an toàn và chính xác. - Phải chắc chắn rằng các đồ điện gia dụng kim loai đã được bao bọc cẩn thận bằng chất cách điện. - Che chắn toàn bộ ổ cắm điện, công tắc điện trên tường bằng tấm che, nhất là với những gia đình có trẻ nhỏ và thú nuôi, thay thế ngay những thiết bị hư hỏng. - Đảm bảo mọi thiết bị điện trong tình trạng hoạt động tốt, cách điện tốt và sử dụng chúng một cách an toàn vì khi dây điện bên trong thiết bị hư hỏng và chạm vào vỏ máy thì những thiết bị điện này cũng nguy hiểm như dây điện không có vỏ bọc bên ngoài. - Chỉ dùng dây nối điện cho những trường hợp sử dụng tạm thời. - Thường xuyên kiểm tra mọi phích cắm, ổ cắm và dây điện trong nhà; sửa chữa ngay những chỗ bị hở. Nếu cảm thấy phích cắm điện nóng một cách bất thường, phải tắt máy và rút phíc ra khỏi ổ cắm. - Cách li mọi thiết bị điện với nguồn nước. - Nếu không biết sửa chữa điện thì phải đóng cầu dao chính hoặc rút cầu chì chính khi xảy ra những trường hợp chập điện, hỏng hóc thiết bị không rõ nguyên nhân và gọi ngay thợ điện đến kiểm tra và sửa chữa. - Khi trong nhà có mùi cháy khét của dây điện, lập tức kiểm tra và tìm phích cắm đang quá tải, cháy hoặc thiết bị cháy do quá nóng để rút ohics cắm và tắt thiết bị điện đó. - Khi xảy ra cháy do chập điện, phải ngắt ngay nguồn điện rồi dùng bình cứu hỏa đặc biệt cho sự cố cháy vì điện nếu có. Trong trường hợp này không sử dụng nước vì nước là chất dẫn điện có thể gây điện giật chết người. b) Những điều không nên làm - Giật dây điện quá nhanh và mạnh khỏi ổ cắm có thể làm hỏng cả phích lẫn ổ cắm. - Không cố định dây điện vào một bề mặt khác bằng đinh hoặc đinh kẹp. Cách làm này có thể làm hỏng vỏ bọc của dây điện. Không nên xoắn, kéo căng hoặc đi trên dây điện vì có thể làm hỏng phần vỏ và tổn hại lõi của dây điện. - Không nên đóng đinh hoặc khoan vào tường gần ổ điện đi ngầm. - Không nên sử dụng dây điện mà phần vỏ ngoài giòn hoặc bị hỏng. Trong khi chờ thay dây mới, cần quấn bang keo cách điện xung quanh cho dù phần lõi chưa lồi ra ngoài. - Không được sửa chữa thiết bị điện khi chưa ngắt nguồn điện, khi tay bị ướt. - Không đi dây điện trên thảm hoặc dưới đồ đạc bởi có thể làm hỏng vỏ bọc dây điện. - Không cắm vào ổ điện số phích cắm nhiều hơn số phích mà nó có thể chịu được một cách an toàn. Bởi nếu hệ thống quá tải thì nguy cơ cháy nổ, hỏng hóc là rất cao. 6.2 Sử dụng điện tiết kiệm: Ngoài việc thay đèn sợi đốt bằng đèn neon, compact, chúng ta cũng cần lưu ý cách sử dụng tiết kiệm điện với các thiết bị khác như sau: - Tắt các công tắc nguồn chính của máy thu hình, các thiết bị âm thanh đời mới có điều khiển từ xa. - Phải rút phích cắm ra khỏi ổ cắm điện khi không sử dụng các loại radio, cassette vừa chạy pin, vừa chạy điện. - Khi không sử dụng những thiết bị vừa cơ học vừa quang học như máy in, máy photocopy, máy giặt thế hệ mới … có bộ vi xử lí, nhiều vi mạch điện rất nhỏ thì phải tắt công tắc nguồn nhưng vẫn phải để phích cắm của máy cắm vào ổ điện nguồn để bộ phận sấy các thiết bị điện quang học và bộ vi xử lí không bị ẩm mốc. - Cần hạn chế tắt mở khi sử dụng các thiết bị có động cơ như quạt, máy điều hòa… trong thời gian ngắn, cần hạn chế tốc độ cao gây tốn điện. II. TỪ TRƯỜNG 1. Từ trường a. Định nghĩa: Từ trường là một dạng vật chất tồn tại trong không gian có các điện tích chuyển động (xung quanh dòng điện hoặc nam châm). Từ trường có tính chất là nó tác dụng lực từ lên một dòng điện hay một nam châm đặt trong đó. b. Đặc trưng của từ trường: là cảm ứng từ ký hiệu là B\ , đơn vị của cảm ứng từ là T (Tesla). c. Qui ước: Hướng của từ trường tại một điểm là hướng Nam - Bắc của kim nam châm nhỏ nằm cân bằng tại điểm đó. d. Từ trường sinh ra từ đâu: Từ trường sinh ra bởi những vật có từ tính, tương tác với nhau thông qua các lực tương tác từ (lực từ). Những vật có từ tính như: nam châm, dòng điện. Lúc này: Tương tác giữa nam châm với nam châm, giữa dòng điện với nam châm, giữa dòng điện với nam châm và giữa dòng điện với dòng điện đều gọi là tương tác từ. Lực tương tác trong các trường hợp đó gọi là lực từ. Kim nam châm nhỏ dùng để phát hiện từ trường gọi là nam châm thử. e. Từ trường đều: là từ trường có các đường sức từ là những đường thẳng song song cách đều nhau. Từ trường đều xuất hiện ở đâu: Ở miền trong của nam châm hình chữ U hoặc trong ống dây thẳng dài. 2. Đường sức từ a. Định nghĩa: Đường sức từ là những đường vẽ ở trong không gian có từ trường, sao cho tiếp tuyến tại mỗi điểm có hướng trùng với hướng của từ trường tại điểm đó. b. Tính chất chung: - Tại mỗi điểm trong từ trường, có thể vẽ được một đường sức từ đi qua và chỉ một mà thôi. - Các đường sức từ là những đường cong kín. - Nơi nào từ trường mạnh hơn thì các đường sức từ ở đó vẽ mau hơn (dày hơn), nơi nào từ trường yếu thì các đường sức từ ở đó vẽ thưa hơn. Hình ảnh các mạt sắt sắp xếp có trật tự trong từ trườ ng cho ta từ phổ. 3. Từ trường của dòng điện chạy trong dây dẫn có hình dạng đặc biệt 3.1. Từ trường của dòng điện thẳng dài vô hạn Bài toán: Xác định từ trường tại điểm M do dây dẫn có dòng điện I chạy qua. Biết khoảng cách từ M đến dây dẫn là r. Phương pháp: Lúc này từ trường gây ra bởi dây dẫn có dòng điện chạy qua, có tính chất như sau: - Điểm đặt tại: M - Phương: Cùng phương với tiếp tuyến của đường tròn có tâm O, bán kính r tại điểm M. Trong đó: O là chân hình chiếu vuông góc của M lên dây dẫn. - Chiều: Được xác định theo qui tắc nắm tay phải. Qui tắc nắm tay phải: Giơ ngón cái của bàn tay phải hướng theo chiều dòng điện, khum bốn ngón kia xung quanh dây dẫn thì chiều từ cổ tay đến các ngón là chiều của đường sức từ. - Độ lớn: B = 2.10 -7 . r I (T) 3.2. Từ trường của dòng điện chạy trong dây dẫn uốn thành vòng tròn Bài toán: Ta có một dây dẫn hình tròn có dòng điện I chạy qua, biết dây dẫn có tâm tại O, bán kính là R. Tính từ trường tại tâm O. Phương pháp: Lúc này từ trường gây ra bởi dây dẫn tròn có dòng điện chạy qua, có tính chất như sau: - Điểm đặt: Tại O - Phương: Vuông góc với mặt phẳng vòng dây. - Chiều: Được xác định theo qui tắc nắm tay phải. Qui tắc nắm tay phải: Khum bàn tay phải sao cho chiều từ cổ tay đến ngón tay chỉ chiều dòng điện chạy qua ống dây, thì ngón tay cái choãi ra chỉ chiều của đường sức từ trong lòng ống dây. - Độ lớn: Nếu lúc này khung dây tròn có N vòng dây xếp xít nhau: B = 2 .10 -7 N R I (T) 3.3. Từ trường của dòng điện chạy trong ống dây dẫn hình trụ [...]... I0.Z , U = I.Z 2 2 mạch Z = R + ( Z L Z C ) ; 2 2 U = U R + (U L U C ) ; ; Z là tổng trở của U là điện áp hiệu dụng giữa 2 đầu mạch, UR = I.R ; UL = I.ZL ; UC = I.ZC là điện áp hiệu dụng giữa hai đầu R , L , C tg Z L Z C U L U C U 0 L U 0C = = R UR U 0R = , > 0 thì u sớm pha hơn i, . vật dẫn, vật cách điện. - Việc phân chia ra vật dẫn và điện môi chỉ có tính chất tương đối vì mọi vật đều ít nhiều dẫn điện. Một vật là cách điện nếu lượng điện tích di chuyển được trong vật. nhiều lần kich thước phân tử của vật. VD: kim loại, cơ thể con người… Ta gọi các vật liệu đó là vật dẫn. - Vật dẫn phân làm 2 loại: + Loại 1 (như kim loại) là vật dẫn mà sự dich chuyển điện tích. ĐIỆN TỪ HỌC I. DÒNG ĐIỆN 1. Khái niệm a) Thuyết electron Là thuyết căn cứ vào sự chuyển động của các electron để giải thích tính chất điện của các vật và các hiện tượng điện. - Cấu tạo hạt