VL1 slide bài giảng thầy thông

CHƯƠNG – ĐIỆN TRƯỜNG TĨNH Mở đầu Định luật Coulomb Điện trường Định lý Gauss Điện Cường độ điện trường điện 1 Mở đầu Điện tích ) Thuộc tính tự nhiên hạt có kích thước nhỏ (không thể nhìn thấy mắt thường) tạo lên liên kết điện nguyên tử Nguyên tử ) Phần tử sở cấu tạo vật chất: ª Trạng thái bình thường: trung hòa điện ⇒ số e p nhau, ª p gắn cố định hạt nhân nguyên tử, e dễ dàng di chuyển ⇒ dễ tạo cân điện tích vật trung hòa điện cho tiếp xúc với ⇒ tạo i-ôn Proton (p): điện tích (+) Neutron: Không điện tích Electron (e) - điện tử: điện tích (-) Điện tích điểm ) Điện tích có kích thước không đáng kể so với khoảng cách điện tích điểm không gian nằm vùng ảnh hưởng Mở đầu Điện tích nguyên tố ) Điện tích electron (hoặc proton) có giá trị là 1,6 10-19 C, qui ước làm giá trị đơn vi điện tích Hạt Khối lượng Điện tích 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 Điện tích vật thể tích điện ) Đại lượng vô hướng xác định số nguyên (kết chênh lệch số proton electron) lần điện tích nguyên tố vật thể, tức Q = e.(Np-Ne) = n.e Mở đầu Phân loại Điện tích dương (+) điện tích âm (-) + + Cùng dấu: đẩy Khác dấu: hút Mở đầu Truyền điện tĩnh Ma sát (tiếp xúc) Cảm ứng (điện hưởng) Dẫn điện Bảo toàn điện tích Điện tích không tự sinh hay mà dịch chuyển bên vật từ vật sang vật khác Mở đầu Phân loại vật liệu theo khả truyền điện điện tích ) Vật liệu dẫn điện: Điện tích chuyển động tự toàn thể tích vật (kim loại) ) Vật liệu cách điện – điện môi: Điện tích định xứ cố định miền đó, di chuyển tự vật liệu (cao su, chất dẻo, gỗ, giấy, không khí khô …) ) Vật liệu bán dẫn: Điện tích định xứ cố định miền đó, di chuyển tự vật liệu tác động nhiệt độ, ánh sáng điện trường (silicon, germanium…) Định luật Coulomb (Định luật tương tác tĩnh điện) Charles-Augustin de Coulomb Cân xoắn Coulomb Dây xoắn → Nguyên lý xác định tương tác tĩnh điện cân xoắn Coulomb Định luật Coulomb Lực tương tác điện tích điểm ) Lực tương tác tĩnh điện điện tích q1, q2 đặt chân không, có phương nằm đường thẳng nối điện tích, có chiều phụ thuộc vào dấu điện tích, có độ lớn tỉ lệ thuận tích số q1, q2 tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách chúng F =k Hệ số tỉ lệ: k = 4πεε q1 q r2 r r qq r Tổng quát: F = k 2 r r Nm Trong chân không: k = = 9.10 4πε C2 Vói: ε = ,85 10 −12 C2 N m Định luật Coulomb Đặc điểm ) Lực Coulomb phụ thuộc khoảng cách độ lớn điện tích F = q1q2 r2 Gấp đôi khoảng cách, lực giảm 1/4 Gấp đôi điện tích, lực tăng lần ) Lực Coulomb lực hấp dẫn Fe q1q2 k = FG m1m2 G ª Đ/v electron: q = 1,6.10-19 C, m = 9,31.10-31 kg ⇒ Fe = 4,17.10 42 FG Định luật Coulomb Nguyên lý chồng chất r r r ) Điện tích q0 chịu tác dụng lực F1 , F2 , , Fn gây hệ đ/tích q1, q2, , qn r ª Tương tác tổng cộng hệ điện r F2 q0 q1 F tích lên q : n r r r r r F =F1 + F2 + + Fn = ∑ Fi r F3 i =1 ª Vật (vòng tròn) mang điện tích q tác dụng lên điện tích điểm q0 ⇒ chia nhỏ q thành điện tích vô nhỏ dq cho dq coi điện tích điểm ⇒ xác đinh lực tổng hợp điện tích dq lên q0 ª cầu đồng chất phân bố điện tích ⇒ coi đ/tích điểm có vị trí tâm cầu r khoảng cách tính từ tâm chúng q3 q2 Σ Fi q0 r dq 10 Dao động điện từ Dao động điện từ cưỡng Cộng hưởng điện từ mạch RLC ) Để có cộng hưởng: ª Điều chỉnh tần số nguồn kích thích ª Thay đổi hệ số tự cảm điện dung Ảnh hưởng tượng cộng hưởng điện từ ) Tác hại: R nhỏ ⇒ dễ xảy cộng hưởng ⇒ tổn thất NL lớn (~ I20max) ⇒ dây dẫn nóng lên ⇒ ảnh hưởng đến chất lượng mạch điện ) Tác dụng: làm tụ xoay cho khuếch đại mạch thu tín hiệu vô tuyến, mạch lọc tần số… 26 Sóng điện từ Thí nghiệm Hertz hình thành sóng điện từ Quả cầu tạo tia lửa điện Khe không khí Quả cầu tạo tia lửa điện Cuộn dây cảm ứng Dụng cụ thu sóng Sóng điện từ: lan truyền điện-từ trường biến thiên không gian Heinrich Rudolf Hertz (1857 – 1894) Cuộn dây cảm ứng 27 Sóng điện từ Phương trình sóng điện từ Hệ ph/tr Maxwell môi trường r r r r ∂B rotE = ∇ × E = − ∂t r r r divD = ∇.D = ρ Hệ ph/tr Maxwell chân không r r r ∂B ∇× E = − ∂t r r r r r ∂D rotH = ∇ × H = J + ∂t r r r divB = ∇.B = r r r r ∇.D = ∇.E = r r r r r ∂B ∂ r r ∇ × ∇ × E = −∇ × = − ∇× B ∂t ∂t ( ) Lấy rot vế, có: r r r ∂D ∇× H = ∂t r r ∇.B = ) r rv r r v r rv r rr rr r ) Áp dụng tính chất tích vector: a × b × c = b (a.c ) − c (a.b ) = b (a.c ) − (a.b )c Có Và r r r r r r r r r r2 r VT = ∇ × ∇ ×rE = ∇(∇.E ) − (∇.∇) E = −∇ E r r r ∂B ∂ r r ∂2D ∂ r r ∂2E VP = − ∇ × = − ∇ × B = −μ ∇ × H = −μ = −μ ε ∂t ∂t ∂t ∂t ∂t ( ) ( ) ) Phương trình truyền điện trường chân không: Tương tự ) phương trình truyền từ trường chân không: r r2 r ∂ E ∇ E = μ 0ε ∂t r r2 r ∂ E ∇ E − μ 0ε = ∂t r r2r ∂ B ∇ B − μ 0ε0 = ∂t 28 Sóng điện từ Tính chất sóng điện từ ª Nhận thấy: = 3.108 m / s = c vận tốc ánh sáng 1 4π.10 −7 9.10 −16 4π.9.10 −9 r r r ∂2E ∇ E− 2 =0 v ∂t ) Phương trình sóng điện từ môi trường: r r r ∂2B ∇ B− 2 =0 v ∂t = μ 0ε Với: v = = c = = vận tốc truyền sóng điện từ môi trường μμ εε εμ đây: n = εμ = chiết suất môi trường truyền sóng - Tồn chân không môi trường đồng ) Sóng điện từ: - Giống ánh sáng 29 Sóng điện từ Tính chất sóng điện từ ) Xét sóng truyền theo phương không gian ⇔ toán chiều r r 2 ∂ E ∂ E − 2 =0 ∂x v ∂t r r 2 ∂ B ∂ B − 2 =0 ∂x v ∂t ª Nghiệm: ⎛ x⎞ E = Em cos ω⎜ t − ⎟ ⎝ v⎠ x=0 ⇒ ⎛ x⎞ B = Bm cos ω⎜ t − ⎟ ⎝ v⎠ E = E0 cos ωt B = B0 cos ωt r r r r ⇒ εε E = μμ H : E B dao động pha 30 Sóng điện từ Tính chất sóng điện từ r r ∂E x ∂E y ∂E z ∇.E = + + =0 ∂x ∂y ∂z ) Trong chân không: ) Khi sóng phẳng, có: r i r r ∂ ∇× H = ∂x Hx r j ∂ ∂y Hy r k r ∂ ∂E = ε0 ∂z ∂t Hz ∂E x =0 ∂x ∂E x ∂H z ∂H y và: ε = − =0 ∂t ∂y ∂z Ex = const r Hay: E ⊥ phương truyền x r Tương tự: B ⊥ phương truyền x 31 Sóng điện từ Tính chất sóng điện từ ª Sóng điện từ sóng phẳng (khi xa nguồn phát) Điện trường Mặt sóng phẳng Từ trường Phư ơng tru yền r r ª Sóng điện từ sóng ngang, có E H vuông r r góc rnhau với phương r truyền sóng (đặc trưng vector vận tốc v ) ⇒ E , H v lập thành tam diện r r r r ª E H dao động pha εε E = μμ H 32 Sóng điện từ Năng lượng sóng điện từ ) Mật độ lượng điện trường: wE = εε E ) Mật độ lượng từ trường: wB = μμ H 2 ) Mật độ lượng trường điện từ: 1 w = wE + wB = εε E + μμ H 2 r r ª Sóng điện từ có: εε E = μμ H ª Mật độ lượng sóng điện từ: 1 w= εε E μμ H + εε E μμ H = εε μμ E.H 2 33 Sóng điện từ Năng thông sóng điện từ v.Δt ) Khái niệm: lượng sóng truyền (vận tốc v) qua đơn vị diện tích vuông góc phương truyền đơn vị thời gian, w.ΔV w.v.S Δt P= = = w.v = S Δt S Δt = εε μμ E.H = EH εε 0μμ r r r ª P=E∧H r P S Mặt sóng thời điểm t Mặt sóng thời điểm t +Δt ) Cường độ sóng điện từ: đại lượng trị số giá trị trung bình theo thời gian mật độ thông điểm với tốc độ truyền sóng J = wv 34 Sóng điện từ Năng thông sóng điện từ ⎛ y⎞ ) Sóng điện từ sóng phẳng đơn sắc: w = εε E = εε Em2 cos ω⎜ t − ⎟ = ⎝ v⎠ ⎛ y⎞ = μμ H = μμ H m2 cos ω⎜ t − ⎟ = ⎝ v⎠ ⎛ y⎞ = E.H = Em H m cos ω⎜ t − ⎟ ⎝ v⎠ ª Vì giá trị TB của: cos ω⎛⎜ t − y ⎞⎟ = ⇒ w = εε Em2 = μμ0 H m2 = Em H m ⎝ 2 v⎠ ⇒ J = εε Em2 v = εε Em2 J = ) J = εε Em μμ0 μμ Hm εε 2 2 εε 0μμ0 (Em Hm biên độ cường độ điện trường từ trường) 35 Sóng điện từ Áp suất sóng điện từ ) Sóng điện từ tới đập vào chắn kim loại vuông góc phương truyền r ⇒ E tạo dòng chuyển dời điện tích (e) có vận tốc ve r r FL Tấm kim loại ª H tác dụng lên e lực FL r ve ª Tác dụng áp suất p lên mặt kim loại: p = (1 + R )w r H r E (R: hệ số phản xạ mặt KL) ª R=1 ⇒ p = w ª R=0 ⇒ p = w w ≤ p ≤ 2w 36 Sóng điện từ Bức xạ lưỡng cực điện (dipole antenna) Lưỡng cực dao động nguyên tố (element doublet) ) Bao gồm điện cực làm vật dẫn cách khoảng l