Bài giảng vật lý đại cương chương 5 điện trường

HT điện hưởng và phân cực điện môi A Điện tích cảm ứng e -Định nghĩa: Hiện tượng điện hưởng là hiện tượng xuất hiện các điện tích trái dấu ở hai đầu của một vật dẫn khi vật dẫn được

Trang 1

Chương 5 Điện trường

§1 Khái niệm điện trường Véctơ cường độ điện trường

§5 Năng lượng điện trường

§4 Hiện tượng điện hưởng Phân cực điện môi

§3 Đường sức điện trường Điện thông

§2 Điện thế Hiệu điện thế

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

Vietnam National University of Agriculture

Trang 2

I Định luật Coulomb

• Phương: nằm trên đường thẳng nối hai điện tích

• Chiều: đẩy nhau nếu hai điện tích cùng dấu, hút nhau

nếu hai điện tích trái dấu

• Độ lớn: tỷ lệ với tích độ lớn hai điện tích, tỷ lệ nghịch

với bình phương khoảng cách giữa hai điện tích

§1.Khái niệm điện trường Véctơ cường độ điện trường

- +

Trang 3

Về độ lớn: 21

2

2 1

r

q

q k

Trang 4

Môi trường vật chất tồn tại xung quanh các điện tích đứng yên, là nhân tố trung gian để truyền lực tương tác giữa các điện tích đứng yên với nhau

II Điện trường Véctơ cường độ điện trường

1 Khái niệm điện trường

Đặc điểm điện trường

+ Mỗi điện tích điểm đặt trong điện trường sẽ chịu tác dụng của một lực tĩnh điện

+ Mỗi điện tích sẽ tạo ra xung quanh nó một điện trường và điện trường này sẽ tác dụng lên các điện tích khác đặt trong điện trường đó

Trang 5

2 Véctơ cường độ điện trường

Ý nghĩa: Véctơ cường độ điện trường tại một điểm đặc

trưng cho sức mạnh, phương, chiều của điện trường tại điểm đó

Xác định véctơ cường độ điện trường

Trang 6

F E

q

 

Khi q0 thay đổi → F thay đổi Tuy nhiên, F/q0 = Const (chỉ phụ thuộc vào điện tích gây ra điện trường)

Định nghĩa Véctơ cường độ điện trường

Véctơ cường độ điện trường tại một điểm có độ lớn bằng

độ lớn, cùng phương và chiều với lực điện trường tác dụng lên một đơn vị điện tích dương đặt tại điểm ấy

Đơn vị: Volt/mét (V/m)

Trang 7

Véctơ cường độ điện trường do điện tích điểm gây ra

Giả sử đặt một điện tích thử +q0 trong điện trường của điện tích q Lực tác dụng giữa hai điện tích là:

Trong đó là véctơ hướng từ điện tích q ra M

M

q

Trang 8

Theo định nghĩa véctơ cường độ điện trường do điện tích

q gây ra tại M là:

3

1 4



 

M

q E

Nếu q > 0 thì véctơ cường độ

điện trường có chiều đi ra xa q

Nếu q < 0 thì véctơ cường độ

điện trường có chiều hướng

vào q

Trang 9

Nguyên lý chồng chất điện trường

Xét hệ gồm n điện tích điểm q1, q2, ,qn gây ra xung quanh điện trường, ta có véctơ cường độ điện trường do

hệ điện tích điểm gây ra tại một điểm được xác định:

E  E  E   E

Phát biểu: Véctơ cường độ điện trường do một hệ nhiều

điện tích điểm gây ra tại một điểm bằng tổng các véctơ cường độ điện trường do từng điện tích riêng rẽ gây ra tại điểm đó

Trang 10

I Tính chất thế của điện trường

Xét sự dịch chuyển của điện

tích q0 theo đường cong từ M

đến N dưới tác dụng của điện

trường gây bởi điện tích Q

0 2 0

; cos dr 4

1 Công của lực điện trường

Trang 11

0 0 2

(*) 4

Trang 12

2 Tính chất thế của điện trường

Trang 13

Nếu q0 dịch chuyển theo đường cong kín thì công của lực tĩnh điện trong dịch chuyển đó = 0 Trường có tính chất

như vậy được gọi là trường thế

Kết luận: Trường tĩnh điện là một trường lực thế

Trang 14

II Thế năng của điện tích trong điện trường

Vì điện trường là trường lực thế, công di chuyển điện tích trong điện trường sẽ bằng độ giảm thế năng của điện tích trong quá trình di chuyển

Trang 15

Chọn thế năng của điện tích q0 khi ở xa vô cùng so với Q

là =0 thì C = 0 Khi đó:

0 t

0 M

0 t

Với C là hằng số tùy ý

0 t

Trang 16

III Điện thế và hiệu điện thế

Ta thấy tỷ số không phụ thuộc vào q0 (điện tích thử) mà chỉ phụ thuộc vào điện tích nguồn Q và vị trí của điểm xét → điện thế

1 Điện thế

Trang 17

Đơn vị: Volt (V)

Trang 18

I Đường sức điện trường

Định nghĩa

Đường sức điện trường là đường mà tiếp tuyến tại mỗi điểm của nó có phương trùng với véctơ cường độ điện trường tại điểm đó Chiều của đường sức là chiều của điện trường

Trang 19

Đặc điểm

+ Đường sức điện trường là đường cong hở, xuất phát từ điện tích dương và kết thúc trên điện tích âm

+ Các đường sức điện trường không cắt nhau

+ Điện trường đều được biểu diễn bởi các đường sức song song và cách đều nhau

Trang 20

II Điện thông Định lý Oxtrogratxki – Gauss (O – G)

Xét mặt S đặt trong điện trường có véc tơ cường độ điện trường E Chia S thành những diện tích dS vô cùng nhỏ, sao cho điện trường qua dS là đều

Điện thông qua diện tích dS được định nghĩa:

1 Điện thông

dS

(S)

a

Với α là góc hợp bởi phương

của véctơ pháp tuyến và

véctơ cường độ điện trường E

Trang 21



S S

Điện thông qua mặt S được định nghĩa:

Chú ý: Với S là mặt cong thì véctơ pháp tuyến n của

mặt S luôn hướng ra phía lồi của mặt cong

Trang 22



S S

Trang 23

R E, n

Q

Trang 24

Điện thông gửi qua mặt cầu (C) là:

MatCau

matcau matcau

N   E.dS  E  dS

2 0

Q E



(c)

R E, n

Q

Nhận xét: Vì các đường sức là những đường cong hở

nên có bao nhiêu đường sức đi qua mặt cầu (C) thì có bấy nhiêu đường sức đi qua mặt kín S

Trang 25

→ Điện thông gửi qua mặt kín (S) là:

n điện tích điểm bằng tổng đại số

các điện tích chia cho tích ε và ε 0







1 Q

2 Q

n

Q (S)



2 Q

Trang 26

I Hiện tượng điện hưởng

Điện tích cảm ứng

e

-§4 HT điện hưởng và phân cực điện môi

Vật dẫn: Vật dẫn là vật có chứa các điện tích tự do

Trang 27

→ Hiện tượng điện hưởng

§4 HT điện hưởng và phân cực điện môi

A

Điện tích cảm ứng

e

-Định nghĩa: Hiện tượng điện hưởng là hiện tượng xuất

hiện các điện tích trái dấu ở hai đầu của một vật dẫn khi vật dẫn được đặt trong một điện trường

Trang 28

Điều kiện cân bằng tĩnh điện

Khi có hiện tượng điện hưởng, trong lòng vật dẫn tồn tại hai điện trường:

Điện trường phụ do điện

tích cảm ứng ở hai đầu

vật dẫn gây ra

E 

Điện trường ngoài do

vật mang điện gây ra

Hai điện trường ngược chiều nhau E ; E0 

Trang 29

Khi thì điện trường trong vật dẫn bằng không, các electron trong vật dẫn ngừng dịch chuyển, ta nói vật

dẫn đạt trạng thái cân bằng tĩnh điện

0

E  E 

Điều kiện vật dẫn ở trạng thái cân bằng tĩnh điện

- Véctơ cường độ điện trường tại mọi điểm bên trong

vật dẫn phải bằng không

- Véctơ cường độ điện trường tại mọi điểm trên bề mặt

vật dẫn phải vuông góc với bề mặt

Trang 30

Tính chất của vật dẫn ở trạng thái cân bằng tĩnh điện

+ Vật dẫn là một vật đẳng thế, nghĩa là điện thế tại mọi

điểm trên bề mặt vật dẫn đều bằng nhau

+ Nếu vật dẫn mang điện thì điện tích chỉ tập trung trên

bề mặt ngoài của vật dẫn (Không có điện tích nằm

trong vật dẫn)

+ Nếu vật dẫn không có sự đồng đều về hình dạng thì

điện tích phân bố trên bề mặt cũng không đều Cụ thể:

Điện tích tập trung nhiều ở chỗ lồi hoặc nhọn

Trang 31

Hiệu ứng mũi nhọn

Do điện tích tập trung nhiều ở

chỗ nhọn nên điện trường mạnh

Dưới tác dụng của điện trường này, một số ion dương

và electron có sẵn trong khí quyển chuyển động có gia tốc và đạt tốc độ rất lớn

Chúng va chạm với các phân tử không khí → hiện tượng ion hóa

Trang 32

Các hạt mang điện cùng dấu với điện tích trên mũi nhọn bị đẩy ra xa và kéo theo các phân tử không khí

tạo thành luồn gió gọi là gió điện

Hiện tượng mũi nhọn bị mất dần điện tích và tạo thành

gió điện gọi là hiệu ứng mũi nhọn

Các hạt mang điện trái dấu với điện tích trên mũi nhọn

bị hút vào → điện tích trên mũi nhọn bị mất dần (trung hòa bởi các điện tích trái dấu)

Trang 33

Ứng dụng

+ Do điện trường trong lòng vật dẫn bằng 0 ngay cả khi vật dẫn rỗng nên có thể dùng vật dẫn rỗng như màn tĩnh điện để bảo vệ máy móc và các dây dẫn tín hiệu (Đặc biệt là thiết bị vô tuyến) không bị ảnh hưởng của điện trường ngoài

+ Do điện tích tập trung nhiều ở chỗ lồi, nên người ta tạo ra các mũi nhọn chống sét ở nhà cao tầng và mũi nhọn phóng điện, trung hòa điện tích trên thân máy bay + Dựa vào tính chất điện tích chỉ phân bố trên bề mặt vật dẫn, người ta chế tạo ra máy phát tĩnh điện

Trang 34

Hiện tượng

Hiện tượng xuất hiện các điện tích trái dấu ở hai đầu của thanh điện môi khi nó đặt trong điện trường ngoài được gọi là hiện tượng phân cực điện môi

II Hiện tượng phân cực điện môi

Chất điện môi

Chất điện môi là chất trong đó các điện tử chỉ có thể di chuyển trong phạm vi từng nguyên tử, phân tử mà không thể di chuyển tự do trong toàn bộ thể tích của vật

Các điện tích trái dấu ở hai đầu thanh điện môi là các

điện tích phân cực (điện tích liên kết)

Trang 35

Hiện tượng điện hưởng là sự phân bố lại các điện tử tự

do của vật dẫn

Còn chất điện môi không có các điện tử tự do nên tất cả các điện tích trái dấu trong chất điện môi đều bị liên kết thành từng cặp nên những điện tích phân cực vừa xuất hiện vẫn chỉ là những điện tích liên kết

Hiện tượng điện hưởng và phân cực điện môi

Sự xuất hiện điện tích phân cực làm cho điện trường trong chất điện môi thay đổi Ngoài điện trường ban đầu

E còn có điện trường phụ E’ do điện tích phân cực gây

ra

Trang 36

Sự xuất hiện điện tích phân cực làm cho điện trường trong

chất điện môi thay đổi Ngoài điện trường ban đầu

E0 còn có điện trường phụ do điện tích phân cực gây ra E

E0 ngược chiều Tuy nhiên điện trường tổng cộng trong

chất điện môi vẫn khác 0 Điều này không ảnh hưởng gì

đến sự cân bằng tĩnh điện vì trong chất điện môi không có

điện tử tự do

E

E 

Trang 37

2 Giải thích hiện tượng phân cực điện môi

 Với chất điện môi có các phân tử chưa

phân cực (N2 , H2 , CCL4, )

+ Chất điện môi ở điều kiện bình thường

các điện tích âm phân bố đối xứng quanh

điện tích dương

+ Tâm điện tích dương và tâm các điện

tích âm của phân tử trùng nhau

+Khi đặt chất điện môi vào điện trường,

dưới tác dụng của điện trường, điện tích

dương chuyển động theo chiều điện trường

và điện tích âm dịch chuyển ngược chiều

Trang 38

Phân tử trở thành một lưỡng cực điện

Các phân tử sẽ nằm như những mắt xích dọc theo đường sức của điện trường ngoài Do đó hai đầu chất điện môi xuất hiện các điện tích trái dấu

Trang 39

Với chất điện môi có các phân tử đã phân cực NH3 , H2O,

+ Ở điều kiện bình thường các phân tử đã là những

lưỡng cực điện

+ Do chuyển động nhiệt, các lưỡng cực sắp xếp hỗn loạn nên không tạo ra điện tích trái dấu ở bất kỳ phía nào của chất điện môi

Trang 40

Khi đặt khối điện môi trong điện trường, dưới tác dụng của điện trường các lưỡng cực điện sẽ quay và sắp xếp

có trật tự, nằm dọc theo đường sức điện trường

Khi bỏ điện trường ngoài thì trong đa số các trường hợp, hiện tượng phân cực không còn nữa

Trang 41

3 Điện trường trong chất điện môi

Khi khối chất điện môi bị phân

cực, trong lòng chất điện môi xuất

hiện điện trường phụ ngược chiều

với điện trường ngoài

Điện trường tổng hợp trong lòng chất điện môi là:

E 

Trang 42

 

Tỷ số được gọi là hằng số điện môi tỷ đối

Hằng số điện môi tỷ đối cho biết cường độ điện trường trong chất điện môi giảm đi bao nhiêu lần so với trong chân không

Ý nghĩa

Trang 43

Hai điện tích q1, q2 cách nhau một khoảng r thì thế năng tương tác giữa chúng là:

I Năng lượng của hệ hai điện tích

r

q V

.4

;

1 2

W

1 21

Tổng quát

Trang 44

Xét hệ là hai bản của một tụ điện phẳng được tích điện, điện lượng của hai bản lần lượt là +q và –q Năng lượng giữa hai bản tụ điện:

II Năng lượng điện trường

W E SEd

2 0

1 2

W  E V

Trang 45

2 0

1

(*)2

W   E V

Như vậy: Năng lượng của tụ điện phụ thuộc vào cường

độ điện trường và phụ thuộc vào vùng không gian có điện trường và được gọi là năng lượng điện trường

E

V

W  

Ý nghĩa: Biểu thức (*) chứng tỏ điện trường có năng

lượng vì vậy có thể nói điện trường là dạng vật chất đặc biệt ( do vật chất vận động thì có năng lượng)

Định dạng
Số trang	45
Dung lượng	1,71 MB