Chap 1 electric charge and field

Đây tuyệt chiêu phim kiếm hiệp dựa tiểu thuyết Kim Dung? Cô gái luyện thành tuyệt chiêu trên? CHAPTER 1: ELECTRIC CHARGE AND ELECTRIC FIELD (ĐIỆN TÍCH VÀ ĐIỆN TRƯỜNG) Learning goals By studying this chapter, you will learn: • The nature of electric charge, and how we know that electric charge is conserved • How objects become electrically charged • How to use Coulomb’s law to calculate the electric force between charges • The distinction between electric force and electric field • How to calculate the electric field due to a collection of charges • How to use the idea of electric field lines to visualize and interpret electric fields • How to calculate the properties of electric dipoles Chuẩn đầu Sau học chương này, sinh viên phải giải thích được: • Bản chất điện tích bảo toàn điện tích • Các cách nhiễm điện cho vật • Cách sử dụng định luật Coulomb để tính lực điện trường điện tích • Sự khác lực điện trường cường độ điện trường • Cách tính cường độ điện trường gây vật mang điện • Cách sử dụng đường sức điện để mô tả chứng minh cường độ điện trường • Cách tính toán đặc trưng lưỡng cực điện Contents 1.1 Electric Charge 1.2 Conductors, Insulators, and Induced Charges 1.3 Coulomb’s Law 1.4 Electric Field and Electric Forces 1.5 Electric-Field Calculations 1.6 Electric Field Lines 1.7 Electric Dipoles 1.8 Motion of a Charged Particle in a Uniform Electric Field Nội dung 1.1 Điện tích 1.2 Vật dẫn điện, vật cách điện, điện tích cảm ứng 1.3 Định luật Coulomb 1.4 Điện trường lực điện trường 1.5 Tính toán cường độ điện trường 1.6 Đường sức điện trường 1.7 Lưỡng cực điện 1.8 Chuyển động điện tích điện trường 1.1 ELECTRIC CHARGE - Kinds of charge - Electric Charge and the Structure of Matter - Electric Charge Is Conserved Các loại điện tích - Thanh thuỷ tinh cọ xát vào lụa - Thanh cao su, nhựa cọ xát vào lông thú Sau cọ xát, tương tác với → bị nhiễm điện hay có điện tích Kinds of charge Benjamin Franklin (1706–1790): these two kinds of charge negative (−) and positive (+) - Thanh cao su, nhựa lụa: negative charge - Thanh thuỷ tinh lông thú: positive charge nhựa thuỷ tinh Two positive charges or two negative charges repel each other A positive charge and a negative charge attract each other lụa lông thú “Like charges repel, and opposite charges attract.” Application of forces between charged bodies Schematic diagram of the operation of a laser printer Bài tập nhóm 1.1: Hãy tìm ví dụ tương tự ứng dụng tượng tương tác điện tích giải thích 10 Structure of Matter - Vật chất cấu tạo từ nguyên tử phân tử - Các nguyên tử tạo thành từ proton (+), notron, electron (-) - Các proton notron tạo thành hạt quark 11 Electric Charge and the Structure of Matter - The protons and neutrons in an atom make up a nucleus, ~10 m - Electrons are surrounding the nucleus, ~10 m The individual particles: - electron: charge: negative (−) mass: 9.10938215 10 - proton: charge: positive (+) mass: 1.672621637 10 - neutron: charge: neutral mass: 1.674927211 10 kg ~ 9.11 kg ~ 1.67 kg ~ 1.67 10 10 10 kg kg kg 12 Electric Charge and the Structure of Matter - The negative charge of the electron has exactly the same magnitude as the positive charge of the proton → In a neutral atom the number of electrons = the number of protons in the nucleus - The number of protons or electrons in a neutral atom of an element is called the atomic number of the element - Nếu nguyên tử electron → ion dương (+) - Nếu nguyên tử nhận electron → ion âm (−) 13 Electric Charge Is Conserved Two very important principles: - First is the principle of conservation of charge: The algebraic sum of all the electric charges in any closed system is constant → In any charging process, charge is not created or destroyed; it is merely transferred from one body to another → Conservation of charge: a universal conservation law The second important principle: The magnitude of charge of the electron or proton is a natural unit of charge Every observable amount of electric charge is always an integer multiple of this basic unit → Charge is quantized 14 Test Your Understanding (a) Strictly speaking, does the rubber rod weigh more, less, or the same after rubbing it with fur? (b) What about the glass rod after rubbing it with silk? 15 1.2 CONDUCTORS, INSULATORS, AND INDUCED CHARGES - Conductors and Insulator - Ways to charge a body - Induced charges - Electric Forces on Uncharged Objects 16 Conductors and Insulator Nối cầu kim loại nhựa nhiễm điện sợi dây đồng (???) → điện tích truyền qua cầu (???) → The copper wire is called a conductor of electricity Thay dây đồng sợi nilon dây cao su → điện tích không truyền qua cầu → Nylon thread or rubber band are called insulators Conductors permit the easy movement of charge through them, while insulators not 17 Conductors and Insulator (2) Most metals are good conductors, while most nonmetals are insulators Within a solid metal such as copper, one or more outer electrons in each atom become detached and can move freely throughout the material In an insulator there are no, or very few, free electrons, and electric charge cannot move freely through the material Some materials called semiconductors are intermediate in their properties between good conductors and good insulators 18 Các cách nhiễm điện cho vật (1) Có cách nhiễm điện cho vật? - Nhiễm điện cọ sát 19 Các cách nhiễm điện cho vật (2) - Nhiễm điện tiếp xúc 20 Example: Field of a charged line segment (2) Positive charge is distributed uniformly along the y-axis between L −< and L +< Find the electric field at point P on the xaxis at a distance K from the origin G 4+, K K + < - If K ≫ < → G http://ocw.mit.edu/ans7870/8/8.02T/f04/visualizations/e lectrostatics/07-LineIntegration/07-LineInt320.html =̂ (1.17) f =̂ Vvwx N o → the field of a point charge - If < ≫ K → G → The field of an infinitely long line of charge: p G a 2+, K y =̂ vwx N (1.18) 59 Example: Field of a ring of charge Một vòng dây bán kính ̂ between the sheets , below the lower sheet (1.22) 64 Test Your Understanding +< −< L +a −a P • K Suppose that the line of charge had charge +a and −a distributed uniformly and symmetrically as in the Figure In this situation, the electric field at P would be: A in the negative x-direction; B in the positive y-direction; C zero; D none of these 65 1.6 ELECTRIC FIELD LINES - Đường sức điện trường - Nguyên lý chồng chất điện trường - Ví dụ tính vectơ cường độ điện trường 66 Đường sức điện trường Mô tả điện trường trực quan → khái niệm: đường sức điện trường - Đường sức điện trường có đặc điểm: + chiều G điểm; + độ dày, thưa đường sức ∝ với cường độ điện trường G + đường sức không cắt - Tập hợp đường sức gọi điện phổ → Có điện phổ ⇒ phương, chiều, độ lớn G 67 Đường sức điện trường 68 Quy tắc vẽ đường sức điện trường Đường sức điện trường - Xuất phát (đi ra) từ điện tích (+) kết thúc (đi vào) điện tích (-), → đường cong không khép kín - Không cắt điểm điện trường - Số đường sức tỉ lệ với cường độ điện trường G 69 Electric field line and force simulations 70 Electric field line and force simulations 71 Test Your Understanding Cho ba điểm A, B, C hình vẽ Sắp xếp cường độ điện trường ba điểm theo thứ tự giảm dần: A G€ H G• H Gh C Gh H G• H G€ B G€ H Gh H G• D G• H G€ H Gh 72 Test Your Understanding Các đường sức tạo bởi: A Hai điện tích dấu (trái mạnh hơn) B Hai điện tích dấu (phải mạnh hơn) C Hai điện tích trái dấu (trái mạnh hơn) D Hai điện tích trái dấu (phải mạnh hơn) 73 1.7 ELECTRIC DIPOLES 74 Definition An electric dipole is a pair of point charges with equal magnitude and opposite sign (a positive charge +# and a negative charge −#) separated by a distance b b - The electric dipole moment is a vector, denoted by ‚(, directed from the negative charge −# to the positive charge +# - The magnitude of electric dipole moment vector: ‚ #b (1.23) - The unit of ‚: C∙m 75 Example A water molecule, (+) charge on the hydrogen end and (-) charge on the oxygen end → an electric dipole 76 Force and Torque on an Electric Dipole Let’s place an electric dipole in a uniform external electric field G The net force on an electric dipole in a uniform external electric field: ( (t + ( (t and ( don’t act along the same line → the net torque „ … The magnitude of the net torque on an electric dipole: b (1.24) „ #G sin ‡ ‚G sin ‡ ˆ with sin ‡ is the lever arm for both (t and ( The torque on the dipole in vector form: „( ‚( G (1.25) 77 Potential Energy of an Electric Dipole When a dipole changes direction in an electric field, → the electric field torque does work → change in potential energy Work done b‰ by „ during an infinitesimal displacement b‡: b‰ −„b‡ −‚G sin ‡ b‡ (1.26) (có dấu – ‡ tăng „ giảm) The change in potential energy = the negative of this work value: bŠ −b‰ ‚G sin ‡ b‡ (1.27) Integrating → Š Choose Š at ‡ −‚G cŒ• ‡ + Š 90Ž → Š → The potential energy of the dipole: Š −‚G cŒ• ‡ −‚( ∙ G (1.28) 78 Electric dipoles in a nonuniform external electric In a nonuniform electric field, a dipole experiences a net force because the electric field has different magnitudes at the positive and negative charge centers 79 1.8 MOTION OF A CHARGED PARTICLE IN A UNIFORM ELECTRIC FIELD 80 Chuyển động điện tích điện trường (1) Bài toán: Cho điện trường G hình vẽ Điện tích +#, khối lượng , chuyển động không vận tốc đầu từ A đến B Tính vận tốc B •• 2#Gb 81 Chuyển động điện tích điện trường (2) Một electron bay vào điện trường G 200 N/C với vận tốc đầu •• 102 m/s Chiều dài hai tụ r 0,1 m Cho ! 9,1 10 kg Tính: Gia tốc electron điện trường Thời gian chuyển động tụ Độ dời theo phương thẳng đứng 82 Chuyển động điện tích điện trường (2) Lực tĩnh điện tác dụng lên electron: −1GO ! Gia tốc electron 1GO 1,6