Bài giảng điện tử học

ThS TRẦN THỊ HOÀI GIANG BÀI GIẢNG ĐIỆN VÀ TỪ (Giáo trình lưu hành nội bộ) QUẢNG BÌNH, THÁNG NĂM 2015 LỜI MỞ ĐẦU - Có bốn loại tương tác tự nhiên là: Tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ, tương tác mạnh tương tác yếu - Hiện tượng điện tự nhiên: Sấm, chớp… - Trước công nguyên tượng điện nghiên cứu cọ xát hổ phách, thuỷ tinh vào len dạ; thuỷ tinh, hổ phách hút giấy nhỏ, nên bị nhiễm điện; hổ phách electron - Một số đá (quặng) hút sắt, thể tính chất từ vật - Vậy, mối quan hệ điện từ nào? - Năm 1820 Ơersted tìm mối liên hệ điện - từ thí nghiệm tương tác dòng điện nam châm (la bàn) - Cơ sở lí thuyết để giải thích? Măcxoen, Faraday  hệ phương trình M – F điện từ (giống định luật Newton học) Chương ĐIỆN TÍCH - ĐIỆN TRƯỜNG I ĐIỆN TÍCH, SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC ĐIỆN TÍCH 1.1 Sự nhiễm điện vật 1.1.1 Cách làm nhiễm điện cho vật: có cách - Cọ xát - Tiếp xúc - Hưởng ứng 1.1.2 Điện tích vật nhiễm điện - Có loại điện tích âm dương - Vật nhiễm điện âm dương; nhiễm điện loại đẩy nhau, nhiễm điện khác loại hút - Điện tích vật ln bội “điện tích ngun tố” ( e = 1,6.10-19 C) 1.1.3 Chất dẫn điện, chất cách điện Về phương diện điện, chất chia làm dạng sau: a) Chất dẫn điện: Có điện tích (electron, ion) di chuyển tự vật dẫn Có loại chất dẫn điện là: - Dẫn điện loại I (kim loại): Sự di chuyển điện tích khơng gây biến đổi hố học - Dẫn điện loại II (dung dịch điện phân, axít, bazơ…): Sự di chuyển điện tích gắn liền với biến đổi hoá học b) Chất cách điện (điện mơi): Là chất mà khơng có điện tích di chuyển tự VD: thuỷ tinh, nhựa, nước tinh khiết,… c) Chất bán dẫn d) Chất siêu dẫn 1.1.4 Thuyết điện tử giải thích nhiễm điện vật dẫn a Thuyết điện tử - Vật chất cấu tạo từ nguyên tử Nguyên tử gồm hạt nhân mang điện tích dương electron quay xung quanh Ở trạng thái thường, nguyên tử trung hồ điện - Khi ngun tử electron, mang điện tích dương (ion dương) Khi nguyên tử nhận electron, mang điện tích âm (ion âm) - Các electron chuyển động tự từ nguyên tử sang nguyên tử khác, từ vật sang vật khác gây nhiễm điện vật Thuyết giải thích tượng điện dựa vào di chuyển electron gọi THUYẾT ĐIỆN TỬ b Ứng dụng giải thích số tượng * Vật dẫn Trong kim loại, electron chuyển động tự (e dẫn) kim loại có tính dẫn điện * Điện môi Trong chất điện môi, electron bị liên kết chặt chẽ với ion nút mạng, khơng thể chuyển động tự nên không dẫn điện * Nhiễm điện cọ xát Giả sử cọ xát thuỷ tinh vào lụa, số electron từ thuỷ tinh chuyển sang lụa Kết thuỷ tinh thiếu electron nên mang điện dương, lụa thừa electron nên mang điện âm * Nhiễm điện tiếp xúc Giả sử cho kim loại A tiếp xúc với B (mang điện âm); số electron từ B chuyển sang A làm A tích điện âm (giống B) * Nhiễm điện hưởng ứng 1.1.5 Định luật bảo toàn điện tích Trong hệ lập điện, tổng đại số điện tích hệ khơng thay đổi (được bảo toàn) A B qi = const 1.2 Định luật Coulomb * Điện tích điểm: Là vật tích điện có kích thước nhỏ nhiều so với khoảng cách chúng (khoảng cách khảo sát) 1.2.1 Định luật Coulomb chân khơng 1.2.1.1 Thí nghiệm đo lực (cân xoắn) q1  F21 1.2.1.2 Định luật Biểu thức: F = k q1 q  r12 q2  F 12 r2    q1 q r12   F21 Dạng véc tơ: F12  k r12 r12  Với F12 lực q1 tác dụng lên q2 (1.1) q1  F21  r12 q2  F 12  r12 véc tơ đơn vị hướng từ q1 tới q2 r12   - Khi q1 q2 > (hai điện tích dấu): F12 chiều r12 (Lực đẩy)   - Khi q1 q2 < (hai điện tích trái dấu): F12 ngược chiều r12 (Lực hút) k= 4 : số điện, hệ SI   8,85.10 12 C / Nm , k = 9.109 Nm2/C2 1.2.2 Định luật Coulomb mơi trường () Độ lớn: F = k q1 q r  Dạng véc tơ: F12   q1 q 4  r q1 q  r12 4  r12 (1.2) 1.2.3 Định luật Coulomb điện tích q0 đặt hệ điện tích điểm q1, q2, qn Lực tĩnh điện tác dụng lên q0      F  F1  F2    Fn   Fi (1.3)  Với Fi lực tĩnh điện qi tác dụng lên điện tích q0 * Chú ý: Các công thức (1.1), (1.2), (1.3) áp dụng tính lực tương tác hai cầu tích điện đặt lập, r tính từ khoảng cách tâm hai cầu 1.3 Ứng dụng tương tác điện tích - Máy lọc bụi, thiết bị thu gom tro bụi ống khói nhà máy (hình vẽ sơ đồ nguyên lý) - Phun sơn tĩnh điện, máy in phun tĩnh điện, máy photocopy (hình vẽ sơ đồ ngun lý) - Bao gói thực phẩm… II ĐIỆN TRƯỜNG 2.1 Khái niệm điện trường Hai điện tích điểm q1, q2 đặt gần nhau, chúng tương tác điện với Bản chất tương tác điện tích gì? Theo thuyết tương tác xa: coi tương tác điện tích tức thời ( v   ) không cần môi trường truyền Theo thuyết tương tác gần: Phải có mơi trường truyền tương tác điện tích, điện trường, tốc độ truyền tương tác hữu hạn (v = c = 3.108m/s) Như vậy; điện trường dạng vật chất quanh hạt mang điện, tác dụng lực lên điện tích đặt 2.2 Véc tơ cường độ điện trường 2.2.1 Định nghĩa Đặt điện tích điểm q1, q2,…, qn điểm điện trường,    lực tác dụng F1 , F2 , , Fn     Fn F1 F2 Thí nghiệm chứng tỏ: (1.4)    E q1 q qn  E gọi véc tơ cường độ điện trường, đặc trưng cho điện trường phương diện tác dụng lực điểm  Tại điểm khác nhau, E khác * Định nghĩa cường độ điện trường: * Điện trường điện tích điểm q:  E  q  r 4  r (1.5) Như vậy, E điểm điện trường có: + Phương: Đường nối điện tích điểm điểm xét (M) +q + Chiều: hướng xa q q > hướng vào gần q q < + Độ lớn : E r  q 4  r -q M  EM  M EM 2.2.2 Véc tơ cường độ điện trường hệ điện tích gây * Với hệ điện tích điểm Xét điểm M hệ điện tích điểm q1, q2,…, qn Lực tác dụng lên q0 đặt M:      F  F1  F2    Fn   Fi     F  Fi  Fi E     Ei q0 q0 q0 (1.6) (1.6) nguyên lí chồng chất điện trường * Điện trường gây vật mang điện (hệ điện tích phân bố liên tục) Chia vật thành yếu tố vi phân dV mang điện tích dq Khi ta coi dV điện tích điểm mang điện tích dq   E   dE   vat V dq  r 4  r (1.7) dq Q  r M  dE - Vật mang điện dây dài l, mang mật độ điện  , (   Q ) l dq = .dl   Từ (1.7) ta có: E   dE   vat L .dl  4  r r (1.8) - Vật mang điện mặt S có điện tích mặt  ,   Q S dq = .dS   E   dE   Từ (1.7) có: vat S  dS  4  r r (1.9) Q V - Vật mang điện dạng khối tích V, mật độ điện tích khối  , (   ) dq = .dV   E   dE   Từ (1.7) có: vat V 4   dV  r3 r (1.10)  2.3 Thí dụ xác định véc tơ cường độ điện trường E  2.3.1 Xác định E lưỡng cực điện * Lưỡng cực điện: LCĐ hệ gồm hai điện tích điểm (q, -q) đặt cách khoảng d (d