Bài giảng điện học chương i điện trường trong chân không

1 I. Điện trường trong chân không  2 Nội dung  Điện tích. Định luật Coulomb.  Điện trường. Cường độ điện trường. Đường sức điện trường.  Một số ví dụ về điện trường.  Định lý Ostrogradsky-Gauss và ứng dụng.  Điện thế. Hiệu điện thế. Điện thế của hệ điện tích điểm, của hệ điện tích phân bố liên tục.  Thế năng tương tác của hệ điện tích điểm.  Mối quan hệ giữa điện thế và cường độ điện trường. Mặt đẳng thế.  Lưỡng cực điện trong điện trường. 3 Mục tiêu  Nắm được khái niệm điện tích, quy luật tương tác giữa các điện tích đứng yên thông qua định luật Coulomb.  Hiểu được khái niệm điện trường, các tính chất của điện trường.  Biết vận dụng các kiến thức trên trong một số trường hợp cụ thể. 4 I.1 Điện tích. Định luật Coulomb. 5 1. Điện tích (Charge) Sự tồn tại của điện tích:  Tia lửa điện: đưa tay đến gần các vật bằng kim loại, chớp, …  Sự dính tĩnh điện: lược nhựa có thể hút giấy, quần áo dính vào người, … trong thời tiết hanh khô.  Các vật đã bị nhiễm điện hay trên các vật đã có điện tích. 6 Điện tích (cont. 1) Một số khái niệm:  Trong tự nhiên chỉ có 2 loại điện tích dương và âm. Điện tích cùng dấu thì đẩy nhau, điện tích khác dấu thì hút nhau.  Điện tích của vật chất là môt đại lượng lượng tử hóa: q =  ne. với e = 1.60210 -19 C: điện tích nguyên tố, n: 1, 2, …  Đơn vị: C, là một lượng điện tích đi qua thiết diện của một dây dẫn trong thời gian 1 s khi trong dây có dòng điện 1 A chạy qua. Q: Hạt nào trong tự nhiên mang một điện tích nguyên tố ? 7 Điện tích (cont. 2)  Proton: q = +e, m p = 1.6710 -27 kg. Electron: q = -e, m e = 9.310 -31 kg. Ở trạng thái bình thường, số proton và số electron trong một nguyên tử luôn bằng nhau  q i + e i = 0, nguyên tử trung hòa điện.  Định luật bảo toàn điện tích: Các điện tích không tự sinh ra mà cũng không tự mất đi, chúng chỉ có thể truyền từ vật này sang vật khác hoặc dịch chuyển bên trong một vật mà thôi. 8 Điện tích (cont. 3)  Q: Phân biệt vật chất theo tính dẫn điện ? - Vật dẫn: điện tích có thể chuyển động …? trong toàn bộ thể tích. - Chất cách điện (điện môi): điện tích …? - Chất bán dẫn. - 1911: Kammerlingh Onnes phát hiện Hg rắn mất hoàn toàn điện trở ở T < 4.2 K  chất siêu dẫn.  Q: Yếu tố nào quyết định tính dẫn điện của vật chất ? Cấu tạo và bản chất điện của các nguyên tử. 9 2. Định luật Coulomb (Coulomb’s law)  Các điện tích luôn tương tác với nhau: cùng dấu thì đẩy nhau (a), khác dấu thì hút nhau (b).  Tương tác giữa các điện tích đứng yên được gọi là tương tác tĩnh điện (tương tác Coulomb). 10 Định luật Coulomb (cont. 1)  Định luật Coulomb (1785, Charles Augustus Coulomb): Lực tương tác tĩnh điện (hút hoặc đẩy) giữa hai điện tích điểm có điện tích q 1 và q 2 đặt trong chân không, nằm cách nhau một khoảng r bằng: với hằng số tĩnh điện hằng số điện  0 = 8.8610 -12 C 2 /Nm 2        r r r qq kF   2 21 2 2 9 0 1099.8 4 1 C Nm k   [...]... (cont 2) i n tích i m: là một vật mang i n có kích thước nhỏ không đáng kể so v i khoảng cách từ nó t i những i m hoặc vật mang i n khác đang khảo sát Định luật Coulomb trong các m i trường: Lực tương tác tĩnh i n giữa các i n tích đặt trong m i trường giảm i lần so v i lực tương tác tĩnh i n giữa chúng trong chân không: F k q1q2 r r2 r v i hằng số i n m i của m i trường chất i n của m i trường) ... độ i n trường Đường sức i n trường 15 1 i n trường (Electric field) Một số vấn đề phát sinh: - Lực tương tác tĩnh i n giữa các i n tích được truyền i như thế nào trong m i trường ? - Không gian bao quanh các i n tích sẽ thay đ i như thế nào ? 16 i n trường (cont 1) Các giả thuyết và kh i niệm i n trường: - Thuyết tác dụng xa: lực tĩnh i n được truyền một cách tức th i không cần m i trường. .. trung gian, tức vận tốc - Thuyết tác dụng gần: không gian bao quanh các i n tích có một dạng đặc biệt của vật chất g i là i n trường, vận tốc hữu hạn Tính chất cơ bản của i n trường: m i i n tích đặt trong i n trường đều bị i n trường tác dụng lực 17 2 Cường độ i n trường Định nghĩa: xét một i n tích q0 > 0 đặt trong một i n trường i n trường sẽ tác dụng lên i n tích một lực F Thực nghiệm... cường độ i n trường t i i m đó Chiều của đường sức i n trường là chiều của vector cường độ i n trường Số đường sức i n trường qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc v i đường sức bằng cường độ i n trường Ví dụ: đường sức i n trường của - một i n tích (dương hoặc âm) - hai i n tích cùng dấu, khác dấu 20 Đường sức i n trường (cont 2) Nhận xét: đường sức - i ra từ i n tích dương và i vào i n. .. là những đường cong không khép kín - không cắt nhau 21 Sự gián đoạn của đường sức i n trường Q: i n trường gây b i một i n tích i m q khi i qua mặt phân cách của hai m i trường? E ~ q, 1/ khi i qua mặt phân cách của hai m i trường, và do đó E thay đ i, gây nên sự gián đoạn của đường sức i n trường Vector cảm ứng i n: không phụ thuộc m i trường D 0 E Đơn vị: C/m2 i n tích i m D ~ q: D 1 q r... một i n tích i m q: E 1 4 0 q r r2 r Q: Nhận xét hướng của E theo dấu của q ? Nguyên lý chồng chất: Vector cường độ i n trường gây b i một hệ i n tích i m bằng tổng các vector cường độ i n trường gây ra b i từng i n tích i m của hệ: n E Ei i 1 Q: Dẫn gi i ra biểu thức trên ? 19 3 Đường sức i n trường (Electric field lines) Định nghĩa: là đường cong mà tiếp tuyến t i m i i m của nó trùng v i. .. /q0 không phụ thuộc vào q0 mà chỉ phụ thuộc vào vị trí của nó F q0 const E E F q0 E đặc trưng cho i n trường về mặt tác dụng lực (t i i m đang xét) và g i là cường độ i n trường Vector cường độ i n trường t i một i m là một đ i lượng có giá trị vector bằng lực tác dụng của i n trường lên một đơn vị i n tích dương đặt t i i m đó Đơn vị: V/m 18 Cường độ i n trường (cont 1) i n trường gây b i. .. 0 Fi 0 i 1 Các định lý về lớp vỏ: một lớp vỏ tích i n đều - Hút hoặc đẩy một hạt tích i n nằm ngo i lớp vỏ giống như khi tất cả i n tích của lớp vỏ tập trung ở tâm của nó - Không tác dụng lực tĩnh i n lên hạt i n tích nằm trong lớp vỏ 13 Định luật Coulomb (cont 5) Q: Ứng dụng nguyên lý chồng chất để xác định lực tương tác tĩnh i n giữa hai vật mang i n bất kì ? 14 I. 2 i n trường Cường độ i n. .. 0 q E 0 Ý nghĩa: cho biết m i liên hệ giữa thông lượng i n trường qua mặt kín Gauss và i n lượng của hệ i n tích tạo ra i n trường 35 2 Ứng dụng của định lý Tính i n trường gây b i: Một vật tích i n đ i xứng trục, d i vô hạn, có mật độ i n tích Một mặt cầu bán kính R tích i n đều Một mặt phẳng vô hạn tích i n đều Hai mặt phẳng tích i n đều 36 ... diện tích bề mặt: (C/m2) - đơn vị thể tích: (C/m3) 28 2 Dây thẳng d i vô hạn, tích i n đều i n trường: E 1 4 r 0 2 r 29 3 Vòng mảnh tích i n đều i n trường: E 1 4 0 qx ( x 2 R 2 )3 / 2 R R R Q: Nhận xét: x = 0 và x >> R 30 4 Đĩa tròn mang i n đều i n trường: E 2 1 0 Q: Nhận xét: x >> R và R (x2 x R 2 )1 / 2 31 Tổng kết các ví dụ Dây i n thẳng : E ~ 1/r i n tích i m: E ~ 1/r2 Lưỡng cực i n . của điện trường: mọi điện tích đặt trong điện trường đều bị điện trường tác dụng lực. 18 2. Cường độ điện trường.  Định nghĩa: xét một điện tích q 0 > 0 đặt trong một điện trường  điện trường. 1 I. Điện trường trong chân không  2 Nội dung  Điện tích. Định luật Coulomb.  Điện trường. Cường độ điện trường. Đường sức điện trường.  Một số ví dụ về điện trường.  Định lý Ostrogradsky-Gauss. tĩnh điện giữa hai vật mang điện bất kì ? 15 I.2 Điện trường. Cường độ điện trường. Đường sức điện trường. 16 1. Điện trường (Electric field).  Một số vấn đề phát sinh: - Lực tương tác tĩnh điện