Bài giảng vật lý đại cương A2 (Điện trường tĩnh)

CHƯƠNG 1 – ĐIỆN TRƯỜNG TĨNH 1. Mởđầu 2. Định luậtCoulomb 3. Điệntrường 4. Định lý Gauss 5. Điệnthế 6. Cường độ điệntrường và điệnthế 1 1. Mởđầu ) Thuộctínhtự nhiên củanhững hạtcơ bảncókíchthướcrấtnhỏ (không thể nhìn thấybằng mắtthường) tạo lên liên kếtvềđiện trong nguyên tử. Proton (p): điện tích (+) Neutron: Không điện tích Electron (e) - điệntử: điện tích (-) ) Phầntử cơ sở cấutạovậtchất: ª Trạng thái bình thường: trung hòa điện ⇒ số e và p bằng nhau, ª p gắncốđịnh trong hạt nhân nguyên tử, e có thể dễ dàng di chuyển ⇒ dễ tạora sự mất cân bằng điệntíchgiữa2 vậttrung hòa điệnkhiđượcchotiếp xúc với nhau ⇒ tạorai-ôn ) Điệntíchcókíchthước không đáng kể so vớikhoảng cách giữa điệntích và 1 điểm trong không gian nằm trong vùng ảnh hưởng của nó. Điệntích Nguyên tử Điệntíchđiểm 2 Điệntíchcủavậtthể tích điện Điệntíchnguyêntố ) Điện tích củamộtelectron (hoặcmột proton) có giá trị là là 1,6 . 10 -19 C, đượcqui ướclàmgiátrị một đơnvi điệntích. ) Đạilượng vô hướng đượcxácđịnh bằng mộtsố nguyên (kếtquả sự chênh lệch số các proton và electron) lần điện tích nguyên tố trong vậtthể, tứclàQ = e.(N p -N e ) = n.e 1. Mởđầu 3 Hạtcơ bản Khốilượng Điệntích Electron 9,11.10 -31 kg -1,60.10 -19 C (-e) Proton 1,672.10 -27 kg +1,60.10 -19 C (+p) Neutron 1,674.10 -27 kg 0 Điện tích dương (+) và điệntíchâm(-) Khác dấu: hút nhau Phân loại ++ Cùng dấu: đẩy nhau 1. Mởđầu 4 Truyền điệntĩnh Cảm ứng (điệnhưởng) Dẫn điện Ma sát (tiếpxúc) Điện tích không tự sinh ra hay mất đimàchỉ dịch chuyển bên trong mộtvật hoặctừ vậtnàysang vật khác Bảo toàn điệntích 1. Mởđầu 5 ) Vậtliệubándẫn: Điện tích cũng định xứ cốđịnh tạinhững miềnnàođó, nhưng có thể di chuyểntự do trong vậtliệudướitácđộng củanhiệt độ, ánh sáng hoặc điệntrường ngoài (silicon, germanium…). Phân loạivậtliệutheokhả năng truyền điệncủa điệntích ) Vậtliệudẫn điện: Điệntíchcóthể chuyển động tự do trong toàn bộ thể tích vật(kimloại) ) Vậtliệu cách điện–điệnmôi: Điện tích định xứ cốđịnh tạinhững miền nào đó, và không thể di chuyểntự do trong vậtliệu (cao su, chấtdẻo, gỗ, giấy, không khí khô …) 1. Mởđầu 6 Charles-Augustin de Coulomb Cân xoắn Coulomb Nguyên lý xác định tương tác tĩnh điệnbằng cân xoắn Coulomb Dây xoắn → (Định luậtvề tương tác tĩnh điện) 2. Định luậtCoulomb 7 2 2 9 0 10.9 4 1 C Nm k == πε Trong chân không: 0 4 1 πεε =k Hệ số tỉ lệ: Lựctương tác giữa2 điệntíchđiểm 2 21 r qq kF = ) Lựctương tác tĩnh điệngiữa2 điệntíchq 1 , q 2 đặt trong chân không, có phương nằm trên đường thẳng nối2 điện tích, có chiềuphụ thuộc vào dấu2 điệntích, cóđộ lớntỉ lệ thuận tích số q 1 , q 2 và tỉ lệ nghịch vớibìnhphương khoảng cách giữa chúng. r r r qq kF r r 2 21 = Tổng quát: 2 2 12 0 mN C 10858 . ., − = ε Vói: 2. Định luậtCoulomb 8 Đặc điểm G k mm qq F F G e 21 21 = Gấp đôi khoảng cách, lựcgiảm1/4 Gấp đôi điện tích, lựctăng 4 lần ) Lực Coulomb phụ thuộc khoảng cách và độ lớn các điệntích ) Lực Coulomb và lựchấpdẫn ª Đ/v electron: q = 1,6.10 -19 C, m = 9,31.10 -31 kg ⇒ 42 10.17,4= G e F F 2 21 r qq F = 2. Định luậtCoulomb 9 Nguyên lý chồng chất ) Điện tích q 0 chịutácdụng của các lựcgâybởihệđ/tích q 1 , q 2 , , q n n FFF r r r , ,, 21 3 F r 1 F r 2 F r q 0 q 1 q 2 q 3 ∑ = =+++= n i in FFFFF 1 21 rrrrr ª Tương tác tổng cộng củahệđiện tích lên q 0 : ª Vậtbấtkỳ (vòng tròn) mang điện tích q tác dụng lên điện tích điểm q 0 ⇒ có thể chia nhỏ q thành các điện tích vô cùng nhỏ dq sao cho dq được coi là điệntíchđiểm ⇒ xác đinh lực tổng hợpcủa các điệntíchdq lên q 0 . ª 2 quả cầu đồng chất phân bốđiện tích đều ⇒ coi như 2 đ/tích điểmcó vị trí tạitâm2 quả cầuvàr là khoảng cách tính từ tâm của chúng. 2. Định luậtCoulomb 10 dq q 0 Σ F i r [...]...3 Điện trường Trường Không gian mà một đại lượng vật lý được xác định tại mỗi điểm trong đó Đại lượng vector ⇒ trường vector Đại lượng vô hướng ⇒ trường vô hướng Khái niệm điện trường Thuyết tác dụng xa: Tương tác giữa các điện tích điểm được truyền đi tức thời (v ~ ∞) Tương tác được thực hiện không có sự tham gia của vật chất trung gian Khi chỉ có 1 điện tích ⇒ tính chất vật lý của khoảng... Điện trường là khoảng không gian bao quanh các điện tích, thông qua đó tương tác (lực) tĩnh điện được xác định Điện trường là trường vector 12 3 Điện trường Vector cường độ điện trường Xét điện tích q0 đặt trong điện trường của Q Điện tích thử Q Lực Coulomb r r r Qq0 r Q r⎞ ⎛ F =k 2 = q 0 ⎜ k 2 ⎟ = q 0 E r r ⎝ r r⎠ r r r F Q r ⇒ =k 2 E= q0 r r r Cường độ điện trường tại 1 điểm nào đó là đại lượng vật lý. .. Điện trường Nguyên lý chồng chập điện trường Điện trường gây bởi n điện tích điểm tại vị trí bất kỳ: n r r r r r 1 E =E1 + E2 + + En = ∑ Ei = 4πεε 0 i =1 Vector cường độ điện trường gây bởi một hệ điện tích tại bất kỳ điểm nào trong trường là tổng các vector cường độ điện trường gây bởi từng điện tích tại điểm đó + r qi ri ∑ r2 r i =1 i i n + + P - + - 15 3 Điện trường Nguyên lý chồng chập điện trường. .. vector cường độ điện trường tại điểm đó Chiều đường sức điện trường là chiều vector cường độ điện trường Điện phổ: tập hợp các đường sức điện trường 22 3 Điện trường Điện tích trong điện trường ngoài Cho trước 1 điện tích ⇒ tạo ra điện trường xung quanh nó! Cho trước 1 điện trường ⇒ ảnh hưởng của đ /trường lên điện tích đặt trong đó? r r Điện trường tác dụng lên điện tích 1 lực điện: F = q.E Chiều của... Điện trường gây bởi vật mang điện có điện tích phân bố liên tục: Chia vật thành vô số các phần tử vô cùng nhỏ mang điện tích dq ⇔ điện tích điểm Σ Ei Điện trường gây bởi dq tại 1 điểm cách dq đoạn r: r r 9.10 9 dq r dE = ε r2 r Điện trường tổng hợp gây bởi toàn bộ vật mang điện tại 1 điểm trong không gian của điện trường: r r r 9.10 9 dq r E = ∫ dE = ε toàn ∫ vât r 2 r toàn bô vât bô P r dq 16 3 Điện trường. .. động phi vật chất ⇒ trái với triết học duy vật biện chứng ⇒ Không phù hợp! 11 3 Điện trường Khái niệm điện trường Thuyết tác dụng gần: Tương tác giữa các điện tích điểm được truyền đi không tức thời (v hữu hạn) Tương tác được thực hiện thông qua sự tham gia của vật chất trung gian Khi chỉ có 1 điện tích ⇒ tạo ra điện trường xung quanh ⇒ giữ vai trò truyền tương tác Phù hợp với triết học duy vật biện... = σ 2πR ' dR ' Điện trường gây bởi dQ: 2πσx E = E x = ∫ dE x = 4πεε 0 ⎛ ⎜ 1 σ ⎜ 1− = 2εε 0 ⎜ R2 ⎜ 1+ 2 ⎜ x ⎝ R ∫ (x 0 R ' dR ' 2 +R ) '2 3 / 2 = ⎞ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ Nếu R → ∞ (mặt phẳng vô hạn) ⇒ E = r R’ x R σ 2εε 0 r dEx P P ds dR’ 21 3 Điện trường Đường sức điện trường Đường cong hình học mô tả điện trường mà tiếp tuyến tại mỗi điểm của nó trùng với phương của vector cường độ điện trường tại điểm đó Chiều... nào đó là đại lượng vật lý có độ lớn bằng độ lớn của lực điện trường tác dụng lên 1 đơn vị điện tích +1 đặt tại điểm đó E=k Q 1 Q Q = = 9.109 2 r 2 4πεε 0 r 2 r Đơn vị: N/C hoặc V/m 13 3 Điện trường Nguyên lý chồng chập điện trường r r Xét q1, q2 tác dụng lực F1 , F2 lên q0 (đặt tại P): r r r có: F = F1 + F2 r r r F F1 F2 ⇒ = + q0 q0 q0 Điện trường gây bởi q1 và q2: r r r E = E1 + E2 = q1 r r F r F2 r... Điện trường Lưỡng cực điện trong điện trường đều r r F và F− là các ngẫu lực + Moment ngẫu lực (lực xoắn): r r r r r r r r r τ = d ∧ F+ = d ∧ qE = qd ∧ E = Pe ∧ E Độ lớn: τ = qEdsinφ ⇒ Moment lưỡng cực bị xoay theo chiều sao cho Pe trùng với phương của E 25 4 Định lý Gauss Vector điện cảm – điện dịch Vector cường độ điện trường: r r 1 q r E= 4πεε0 r 2 r ⇒ E ∈ε ⇒ Phổ đường sức của vector điện trường. .. = 0 2 r n r α D α (S0) (S) 27 4 Định lý Gauss Điện thông r n Điện trường bất kỳ: xét phần tử diện tích dS r r dΦe = D.S0 = D.dS.cosα ⇒ dΦ e = D dS Điện thông toàn phần: r r Φ e = ∫ D dS = ∫ Dn dS S dS α r D (S) S r r Φ e = ∫ E dS = ∫ En dS S S Điện thông (electric flux): Đại lượng đặc trưng lượng điện trường đi qua một diện tích bề mặt Đơn vị: N-m2/C 28 4 Định lý Gauss α Góc khối dS cos α -α nhọn ⇒ . luậtCoulomb 10 dq q 0 Σ F i r 3. Điệntrường Khái niệm điệntrường Trường ) Không gian mà một đạilượng vậtlýđượcxácđịnh tạimỗi điểmtrongđó. ª Đạilượng vector ⇒ trường vector ª Đạilượng vô hướng ⇒ trường vô hướng ). đượcxácđịnh. Khái niệm điệntrường ª Điệntrường là trường vector. 3. Điệntrường 12 Phù hợpvớitriếthọc duy vậtbiệnchứng ⇒ được khoa họccôngnhận! ) Đơnvị: N/C hoặcV/m Vector cường độ điệntrường Điện tích. Xét điệntíchq 0 đặttrongđiệntrường của Q 2 9 2 0 2 10.9 4 1 r Q r Q r Q kE = πεε == ª Cường độ điệntrường tại1 điểm nào đólàđạilượng vậtlýcóđộ lớn bằng độ lớncủalực điệntrường tác dụng lên 1 đơnvịđiệntích+1