Bài giảng chi tiết Trường Tĩnh Điện

VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG (PHY 1103-7) ĐIỆN - QUANG Giảng viên: TS Đinh Văn Châu Khoa Vật lý kỹ thuật Công nghệ nano Địa chỉ: Rm 203B-G6 Email: dinhchau@vnu.edu.vn Tel 0914 262 666 ĐỀ CƯƠNG VÀ YÊU CẦU MÔN HỌC GIẢNG VIÊN: TS ĐINH VĂN CHÂU, Room 203B, G-6, Phone: 0914 262666, e-mail: dinhchau@vnu.edu.vn; vanchaudinh@gmail.com GIỜ DẠY: Thứ 4, 9:00-12:00, Tại 303 – G2, UET Campus ĐIỂM MÔN HỌC: Thái độ học tập Kiểm tra kỳ Kiểm tra hết môn GIÁO TRÌNH: 20% 20% 60% Vật lý đại cương: Cơ-Nhiệt, Lương Duyên Bình Cơ sở vật lý, David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker, (Ngô Quốc Quýnh, Đào Kim Ngọc dịch) , NXB Giáo dục ấn hành Fundamentals of Physics, D Halliday,R Resnick, J Walker, 9th Ed., John Wiley&Son pub BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ VẬT LÝ ĐIỆN - QUANG NỘI DUNG Chương Trường tĩnh điện Chương Vật dẫn Điện môi Chương Dòng điện không đổi Chương Từ trường dòng điện không đổi Chương Hiện tượng cảm ứng điện từ Chương Tính chất sóng ánh sáng Chương Tính chất lượng tử ánh sáng BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ VẬT LÝ ĐIỆN - QUANG NỘI DUNG Chương Trường tĩnh điện Chương Vật dẫn Điện môi Chương Dòng điện không đổi Chương Từ trường dòng điện không đổi Chương Hiện tượng cảm ứng điện từ Chương Tính chất sóng ánh sáng Chương Tính chất lượng tử ánh sáng BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ VẬT LÝ ĐIỆN - QUANG Chương TRƯỜNG TĨNH ĐIỆN Chương TRƯỜNG TĨNH ĐIỆN NỘI DUNG 1.1 ĐIỆN TÍCH ĐỊNH LUẬT CULOMB 1.2 ĐIỆN TRƯỜNG VÀ VÉC TƠ CƯỜNG ĐỘ ĐIỆN TRƯỜNG 1.3 ĐIỆN THÔNG VÀ ĐỊNH LÝ O-G 1.4 TÍNH CHẤT THẾ VÀ LƯU SỐ CỦA VÉC TƠ CƯỜNG ĐỘ ĐIỆN TRƯỜNG 1.5 ĐIỆN THẾ LIÊN HỆ GIỮA ĐIỆN THẾ VÀ CƯỜNG ĐỘ ĐIỆN TRƯỜNG 1.1 Định luật Coulomb 1.1.1 Những khái niệm mở đầu  Sự nhiễm điện vật  Phân loại điện tích: (+) (-)  Sự gián đoạn điện tích: electron, proton điện tích nguyên tố 1,6.10-19 C  Nguyên tử trung hòa điện, ion dương, ion âm  Định luật bảo toàn điện tích  Vật dẫn điện môi 1.1 Định luật Coulomb 1.1.2 Định luật Coulomb chân không  Các điện tích dấu đẩy nhau, trái dấu hút q1 + q1 +  r 12 r12 F12 q2 + q2 -  F12 1.1 Định luật Coulomb 1.1.2 Định luật Coulomb chân không  Lực tương tác hai điện tích điểm: q1q r12 F12  k r12 r12 Trong đó: q1q r21 F21  k r21 r21 N.m k  9.10 ( ) 40 C Hằng số điện: 0  8,85.1012 C2 ( ) N.m 1.1 Định luật Coulomb 1.1.2 Định luật Coulomb chân không  Lực tương tác hệ điện tích điểm tác động lên điện tích điểm: F0  F10  F20   Fn0  Lực tương tác vật mang điện tích V tác động lên điện tích điểm: F  dF (V) Lưu ý: Lực tương tác hai cầu mang điện tính tương tác hai điện tích điểm tập trung tâm 1.3 Định lý O-G ứng dụng 1.3.3 Thông lượng cảm ứng điện (Điện thông)  Thông lượng cảm ứng điện gửi qua diện tích S: e   (S)   D.d S   Dấu Фe phụ thuộc vào chiều véc tơ pháp tuyến n  Qui ước: Đối với mặt kín, chiều véc tơ pháp tuyến chiều hướng mặt  Thông lượng cảm ứng điện có giá trị dương đường sức mặt kín ngược lại 1.3 Định lý O-G ứng dụng 1.3.4 Định lý Ostrogradsky-Gauss  Phát biểu: Thông lượng cảm ứng điện gửi qua mặt kín tổng đại số điện tích chứa mặt e     D.d S  q i (1777 – 1805) (S)  Dạng vi phân: D x D y Dz DivD     x y y (ρ mật độ điện tích khối) (1801 – 1862) 1.3 Định lý O-G ứng dụng 1.3.5 Ứng dụng định lý O-G  Tính cường độ điện trường mặt phẳng vô hạn mang điện gây ra: M h  + 1.3 Định lý O-G ứng dụng 1.3.5 Ứng dụng định lý O-G   E n  n e     E      Dd S   Dd S   Dd S   DdS  2DS day (S) S  xq day 2day Tổng điện tích chứa (S): Q q  D trong(S)  Sday  E 20 1.3 Định lý O-G ứng dụng 1.3.5 Ứng dụng định lý O-G Một điện tích điểm: Dây dài vô hạn tích điện đều: || 2k |  | E  20 r r k|Q| E r Khối cầu tích điện đều: Et  || r 30 En  k|Q| r Mặt phẳng tích điện đều: E || 20 Vòng dây tròn tích điện đều: k | Q | x E (R  x )3/2 Đĩa tròn tích điện đều: E || x (1  ) 2 20 R x 1.4 Tính chất lưu số véc tơ cường độ điện trường 1.4.1 Tính chất trường tĩnh điện  Công lực tĩnh điện ( N) A MN   (M) A MN  M  Fd r Q + kqQ kqQ   rM rN r q + N  F 1.4 Tính chất lưu số véc tơ cường độ điện trường  Tổng quát: Công lực tĩnh điện không phụ thuộc đường đi, phụ thuộc vào điểm đầu điểm cuối  Trường tĩnh điện trường  Thế trường tĩnh điện: Hàm chọn cho công dịch chuyển hai điểm M N hiệu hai điểm M N: A MN  WM  WN kqQ qQ W  r 40r (Gốc chọn vô cùng) 1.4 Tính chất lưu số véc tơ cường độ điện trường 1.4.2 Lưu số véc tơ cường độ điện trường  Công dịch chuyển điện tích q từ điểm M đến N: (N) A MN   (M) (N) F.ds  q  E.ds (M)  Xét dịch chuyển đường cong kín:  A  q E.ds    E.ds  Lưu số véc tơ cường độ điện trường dọc theo đường cong kín không (thể tính chất thế) 1.5 Điện hiệu điện 1.5.1 Điện  Thế điện tích q điện trường: () W  A M  q  E.ds (M)  Điện điểm M định nghĩa: VM  W  q ()  E.ds (M)  Điện sai khác số cộng (chọn gốc vô đất)  Hiệu điện hai điểm: U MN A MN  VM  VN  q 1.5 Điện hiệu điện  Điện điểm điện tích điểm gây ra: kQ Q V  r 40r  Điện điểm hệ điện tích điểm gây V V   i i 1 i 1  dq 40r Qi 40ri  Điện điểm vật mang điện gây ra: V (vat) 1.5 Điện hiệu điện 1.5.2 Mặt đẳng  Tập hợp điểm điện trường có giá trị điện thế, tạo nên mặt đẳng  Các mặt đẳng không cắt  Khi điện tích q di chuyển mặt đẳng công lực điện trường không  Đường sức điện trường (do đó, vectơ cường độ điện trường) vuông góc với mặt đẳng 1.5 Điện hiệu điện 1.5.3 Liên hệ véc tơ cường độ điện trường điện  Xét điện tích q di chuyển hai điểm MN gần điện trường từ nơi có điện cao đến nơi có điện thấp (dV < 0)     V + dV V dA  F d s  q E d s dA  q(V1  V2 )  q.dV  M  d s  MN dV   E d s V V V E   grad V  ( , , ) x y z    N (I) (II) 1.5 Điện hiệu điện  Vectơ cường độ điện trường hướng theo chiều giảm  Độ lớn vectơ cường độ điện trường điểm độ giảm điện đơn vị chiều dài dọc theo đường sức qua điểm  Lưu số vectơ cường độ điện trường hai điểm M, N hiệu điện hai điểm đó: (N)  (M) A MN E.ds   U MN q Một số ví dụ Ví dụ 1: Mặt phẳng rộng vô hạn, tích điện với mật độ điện mặt [...]... trung gian truyền tương tác tĩnh điện từ điện tích này đến điện tích kia  Điện trường tác dụng lực lên bất kỳ điện tích khác đặt trong nó 1.2 Véc tơ cường độ điện trường 1.2.2 Định nghĩa véc tơ cường độ điện trường  Giả sử đặt điện tích q tại một điểm M trong điện trường, lực tác dụng lên điện tích q là F: F  Ký hiệu: E  q  Véc tơ cường độ điện trường E không phụ thuộc vào điện tích thử, chỉ phụ thuộc... số véc tơ cường độ điện trường 1.4.1 Tính chất thế của trường tĩnh điện  Công của lực tĩnh điện ( N) A MN   (M) A MN  M  Fd r Q + kqQ kqQ   rM rN r q + N  F 1.4 Tính chất thế và lưu số véc tơ cường độ điện trường  Tổng quát: Công của lực tĩnh điện không phụ thuộc đường đi, chỉ phụ thuộc vào điểm đầu và điểm cuối  Trường tĩnh điện là trường thế  Thế năng trường tĩnh điện: Hàm thế năng được... điện trường là đại lượng đặc trưng cho điện trường về phương diện tác dụng lực  Đơn vị (SI): V/m 1.2 Véc tơ cường độ điện trường 1.2.3 Véc tơ cường độ điện trường gây bởi điện tích điểm Q + Q -  M r +q   r F   F      q > 0: F  E E M +q E 1 Q r E 2 40  r r q > 0: F  E 1.2 Véc tơ cường độ điện trường 1.2.4 Nguyên lý chồng chất điện trường  Véc tơ cường độ điện trường gây bởi hệ điện. .. trong các môi trường  Lực tương tác giữa các điện tích đặt trong môi trường giảm đi ε lần so với lực tương tác giữa chúng trong chân không: q1 q 2 q1 q 2 1 F12  F21   k 2 40 r r 2  ε gọi là hằng số điện môi của môi trường, đặc trưng cho tính chất điện của môi trường 1.2 Véc tơ cường độ điện trường 1.2.1 Khái niệm về điện trường  Là môi trường tồn tại xung quanh điện tích Điện trường là nhân... 40r Qi 40ri  Điện thế tại một điểm do vật mang điện gây ra: V (vat) 1.5 Điện thế và hiệu điện thế 1.5.2 Mặt đẳng thế  Tập hợp các điểm trong điện trường có cùng một giá trị điện thế, tạo nên mặt đẳng thế  Các mặt đẳng thế không cắt nhau  Khi điện tích q di chuyển trên mặt đẳng thế thì công của lực điện trường bằng không  Đường sức điện trường (do đó, vectơ cường độ điện trường) luôn vuông... độ điện trường 1.4.2 Lưu số của véc tơ cường độ điện trường  Công dịch chuyển điện tích q từ điểm M đến N: (N) A MN   (M) (N) F.ds  q  E.ds (M)  Xét dịch chuyển trên một đường cong kín:  A  q E.ds  0   E.ds  0 Lưu số của véc tơ cường độ điện trường dọc theo đường cong kín bằng không (thể hiện tính chất thế) 1.5 Điện thế và hiệu điện thế 1.5.1 Điện thế  Thế năng của điện tích q trong điện. .. từ điện tích dương và đi vào điện tích âm 1.3 Định lý O-G và ứng dụng 1.3.2 Véc tơ cảm ứng điện  Véc tơ cường độ điện trường tại một điểm phụ thuộc vào tính chất của môi trường bao quanh nó (ε)  Đường sức điện trường bị gián đoạn khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường  Trong môi trường đồng nhất, véc tơ cảm ứng điện được định nghĩa:    Q r D  0  E  D  2 4r r  Véc tơ cảm ứng điện. .. thế 1.5 Điện thế và hiệu điện thế 1.5.3 Liên hệ giữa véc tơ cường độ điện trường và điện thế  Xét điện tích q di chuyển giữa hai điểm MN rất gần nhau trong điện trường từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp (dV < 0)     V + dV V dA  F d s  q E d s dA  q(V1  V2 )  q.dV  M  d s  MN dV   E d s V V V E   grad V  ( , , ) x y z    N (I) (II) 1.5 Điện thế và hiệu điện thế... Vectơ cường độ điện trường hướng theo chi u giảm thế  Độ lớn của vectơ cường độ điện trường tại mỗi điểm bằng độ giảm điện thế trên một đơn vị chi u dài dọc theo đường sức đi qua điểm đó  Lưu số của vectơ cường độ điện trường giữa hai điểm M, N bằng hiệu điện thế giữa hai điểm đó: (N)  (M) A MN E.ds   U MN q Một số ví dụ Ví dụ 1: Mặt phẳng rộng vô hạn, tích điện đều với mật độ điện mặt 