Vật lí đại cương tập 2, điện dao động sóng dùng cho các trường đại học khối kỹ thuật công nghiệp

L Ư Ợ N G D U Y Ê N B ÌN H D TRI' C Ơ N G - N G U Y Ễ N H Ữ U H ố VẬT LÍ ĐẠI CƯƠNG DÙNG CHO CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHỐI KĨ TH U Ậ T C Ô N G NGHIỆP TẬP HAI /7 V-GO NHÀ XU Ấ T BAN g iá o d ụ c LƯƠNG DUN BÌNH D TRÍ CƠNG - NGUYỄN HỮU H ổ VẬT ú ĐẠI CƯƠNG (DÙNG CHO CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHỐI KĨ THUẬT CÔNG NGHIỆP) Tập hai ĐIỆN -DAO ĐỘNG - SÓNG (Tái lần thứ mười sáu) NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC Bản thuộc Nhà xuất Giáo dục 04 - 2008/CXB/233 - 1999/GD Mã số : 7K006h8 - DAI Chương TRƯỜNG TĨNH ĐIỆN §1 NHŨNG KHÁI NIỆM MỞ ĐÂU Trước hết ta nhắc lạiTnột số khái niệm học chương trình trung học Như biết, số vật đem cọ xát vào len, dạ, lụa, lơng thú có khả hút vật nhẹ Ta nói vật bị nhiễm điện hay vật có điện tích Thực nghiệm xác nhận, tự nhiên có hai loại điện tích : điện tích dương điện tích âm Theo quy ước, điện tích dương loại điện tích giống điện tích xuất thuỷ tinh sau cọ xát vào lụa ; điện tích âm - giống điện tích xuất êbơnit sau cọ xát vào Thực nghiệm chứng tỏ điện tích vật có cấu tạo gián đoạn Nó ln ln số ngun lần điện tích ngun tố Điện tích ngun tơ' lờ điện tích nhỏ biết tự nhiên, có độ lớn e = 1,6.10 19 culơng (viết tắt C) Trong sô' hạt mang điện tích ngun tơ' có prơtơn êlectrơn Prơtơn mang điện tích ngun tơ' dương +e, có khối lượng 1,67.10 ' 7kg Ê lectrơn mang điện tích ngun tố âm - e , có khối lượng 9.1.10 31 kg 3 (*) Hiện người ta biết điện tích hạt quark ± —e, ± —e Prơtơn êlectrơn có thành phần cấu tạo nguyên tứ cùa chất Prơtơn nằm hạt nhân ngun tử, êlectrỏn chuyển động xung quanh hạt nhân Ở trạng thái hình thường, số prơtơn êlectrơn ngun tử luôn (bằng số thứ tự z ngun tơ' xét bảng tuần hồn Menđênlêep) đó, tổng đại sơ' điện tích ngun tử khơng, ta nói ngun tử trung hồ điện Nếu lí đó, ngun tử nhiểu êlectrơn, trở thành phần tử mang điện tích dương, ngun tử gọi ion dương ‘m Ngược lại, nguyên tử nhận thêm êlectrôn (hay thừa êlectrôn so vối trạng thái bình thường), trở thành phần tử mang điện tích âm, khí ngun tử gọi ion âm Như vậy, vật mang điện tích dương hay âm vật nhận thêm số êlectrơn so với lúc vật không mang điện Nếu gọi n số êlectrơn độ lón cùa điện tích vật q = n.e, với e độ lớn điện tích nguyên tố Thuyết dựa vào chuyển dời cùa êlectrơn để giải thích tượng điện gọi thuyết êỉectrôn Theo thuyết này, trình nhiễm điện thuý tinh xát vào lụa q trình êlectrơn chuyển dời từ thuỷ tinh sang lụa Như thuỷ tinh êlectrôn, mạng điện dương ; ngược lại lụa nhận thêm êlectrôn từ thuỷ tinh chuyển sang, nên lụa mang điện âm ; độ lớn cùa điện tích hai vật lũn ln bàng nhau, irước đỏ hai vạt đéu chua mang điện Qua nhận xét nhiểu kiện thực nghiệm'khác, người ta nhận thấy : "Các điện tích khơng tự sinh mà khơng tự đi, chúng chi có th ể truyền từ vật sang vỉỊt khác dịch chuyển bên mội vật mà thơi" Nói cách khác : "Tổng đại sơ điện tích hệ cỏ lập khơng đổi" Đó nội dung định luật bảo tồn điện tích, định luật Vật lí Theo tính chất dẫn điện, người ta phân biệt hai loại vật : vật dẫn điện môi Vật dần vật điện tích chuyển động tự tồn thể tích vật, trạng thái nhiêm điện truyền vật Điện mơi khơng có tính châ't trên, mà điện tích xuất đâu định xứ Kim loại, dung dịch axit, muối, bazơ, muối nóng chảy v.v vật dẫn Thuỷ tinh, êbônit, cao su, dầu, nước nguyên chất v.v điện mơi Nói chung phân chia vật dẫn điện mơi có tính chất quy ước Thực vật, điều kiện định, vật dẫn điện được, chúng khác chỗ dẫn điộn tốt hay khơng tốt (xấu) Thí dụ thuỷ tinh nhiệt độ bình thường khơng dẫn điện, nhiệt độ cao lại trờ thành chất dẫn điện Ngồi có nhóm chất có tính chất dẫn điện trung gian vật dẫn điện mơi Đó chất hán dẫn điện Trong chương chung ta nghiên cứu tương tác tính chất điện tích đứng yên (so với hệ quy chiếu dùng để nghiên cứu điện tích đó) §2 ĐỊNH LUẬT c u LƠNG Thực nghiệm chứng tò điộn tích ln ln tương tác với : điện tích dấu đẩy nhau, điện tích khác dấu hút Tương tác điện tích đứng yên gọi tương tác tĩnh diện (hay tương tác Culông) Năm 1975, Culông thiết lập định luật thực nghiệm, cho ta xác định lực tương tác hai điện tích điểm Theo định nghĩa, điện tích điểm vật mang điện có kích thước nhỏ khồng đáng kể so với khoảng cách từ điện tích tới điểm vật mang điện tích khác mà ta khảo sát Như khái niệm điện tích điểm có tính chất tương đối, tương tự khái niệm chất điểm học Định luật Culỏng chán khơng Giả sử có hai điện tích điểm q j5 q2 đặt chân không cách khoảng r Định luật Cuiông phát biểu sau : "Lực tương tác tĩnh điện hai điện tích điểm có phương nằm đường thẳng nối hai điện tích, có chiều hình - ỉ a (hai diện tích dấu đẩy nhau) hình - lb (hai điệp tích khác dấu tì út nhau), có độ lớn tỉ lệ thuận với tích s ố độ lớn hai diện tích tỉ lệ nghịch với hình phương khoảng cách hai điện tích đó" Ta biểu diễn định luật Culơng dạng vectơ Gọi qj q2 giá trị đại số hai điện tích, Fio lực tác dụng điện tích q2 lên điện tích qj, F20 lực tác dụng điện tích qj lên điện tích CJ2 , ĩ \2 bán kính vectơ hưóng từ điện tích qj tới điện tích q0, Ĩị bán kính vectơ hướng từ điện tích q2 tói điện tích q t, ta có : FlO = — , r (1 -1 ) F = k l^ i.ỉl5 r r (1_ 2) r : r2Ị = đơn vị (k > 0) 1*12 = r k hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào hệ Từ công thức (1-1) (1-2) ta thấy : Nếu tích s ố q |.q > (hai iiện tích dấu), Fio phương chiều với r2Ị, F20 phương chiều với rỊ2 Nếu tích số q2 < (hai điện tích khác dấu) Fio phương íihưng ngược chiểu với r2Ị, F2() phương ngược chiéu /ới ĩp (h 1-1) —» FiO m r21 — a) —> ^20 ♦ » {Ỉ > rí Fio F20 « ♦ qj < q2 < —> — ỷ FlO qj > » F20 r //ìn/í / -7 Lực tương tác hai điện tích điểm Độ lớn cùa hai lực Fio F : F10 = F20 = k N M (1-3) Như biểu thức (1-1) (1-2) nêu lên đầyđủ nội dung định luật Cuiông chân không Trong hệ đơn vị SI, điện tích đo đơn vị culơng, kí hiệu c ; hệ số tỉ lệ k công thức (1-1), (1-2), (1 -3 ) : k= với sQ - ' 4xe0 io* í !±ụ1 c2 8,86.1012c /N m gọi số điện Các biểu thức (1 -1 ), (1 -2 ), (1-3) trờ thành : F,„ F20 = S lílỉl, nsữ r2 4xe0 r2 F , F F>» ^ _ (1-4) r r , h ilh tal (1-5) n 6X ° ' 6) Thừa số công thức (1-4), (1-5) (1 -6 ) biểu thi tính 4;r chất đối xứng cầu tương tác Culơng (hay tính hợp lí hố hệ đơn vị SI) Định luật Culơng môi trường Thực nghiệm chứng tỏ lực tương tác điện tích đặt mơi trường giảm e lần so với lực tương tác chúng chân không Theo kết đây, biểu thức vectơ định luật Culơng mơi trường có dạng : F,o = J - ^ X ncữ e s r F2„ = - i - ự l ỉ l , ậ ĩĩ£ o ' e ĩ1 ' (1 -7 ) (1-8 ) r (1 -9 ) € đại lượng khơng có thứ ngun đặc trưng cho tính chất điện mồi trường dược gọi độ thẩm điện mơi tỉ đối (hay hầtìg s ố điện m ôi) môi trường Bảng cho giá trị số điện môi số c h ấ t: Chất Hằng số điện môi Chân không Khống khí 1,0006 Êbơnit 2,7 - 2,9 Thuỷ tinh -1 Nước nguyên chất 81 Chú ỷ : Định luật Culông định luật tĩnh điện học Tuy cho ta xác định lực tương tác tĩnh điện hai điện tích điểm, song kết hợp với nguyên lí tổng hợp lực học ta xác định lực tương tác hai vật mang điện Trước hết, giả sử có hệ điện tích điểm q j, q2, qn phân bố gián đoạn không gian điện tích qQ đặt khơng gian Gọi Fi, F2, , Fn lực tác dụng q h q2, q n lên điện tích qQ Các lực xác định bời định luật Culơng Khi đó, lực tổng hợp tác dụng lên điên tích qơ : n F = F i + ? + + Fn = ] T F i (1-10) i=l Để xác định lực tương tác tĩnh điện hai vật mang điệDÍ tích bất kì, ta coi mỏi vật mang điện hộ vơ số điện tích điểm Khi đó, lực tĩnh điện tác dụng lên vật tổng vectơ tất lực hệ điện tích điểm vật tác dụng lên điện tích điểm vật Hai vectơ E H ln ln vng góc Ba vectơ E, H thuận mặt vuỏng góc V, theo thứ tự đó, hợp thành mộĩ tam diện E H luôn dao động pha, cụ thể chúng lro ln có trị số tỷ lệ với Giả thiết gốc o hai vectơ Eo H o có biểu thức sau : E - Em coscoi, H = Hm COSÍOI Ta chọn trục toạ độ Ox trùng với phương truyền sóng, trục Oy theo phương E trục Oz theo phương H Tại điểm M Ox (ÕM = x), trị số vectơ E H cho X ' X E = E m cosử; t - - H - Hm cos co t - V v; V V (10- ) Đó phương trình sóng điện từ phảng đơn sắc Nâng lượng nầng thùng sóng điện từ Bản chất sóng điện từ trường điện từ biến thiên Năng lượng sóng điện từ lượng trường điện từ ; nãng lượng định xứ khoảng không gian có sóng điện từ Mật độ nàng lượng sóng điện từ có trị sồ (xem phần điện từ trường) : I w = - e asE H (10-9) Đối với sóng điện từ phảng đơn sác ta có : E = \//w ^ h Từ suy £o£ E = MoMH2 ; đảng thức chứng tỏ phần lượng điện trường từ trường đóng góp w Biểu thức (10-9) thành : w = £0eE = n ữn H = y fẽ ~ ẽ E.ylụaụ H (10-10) 331 Ta biết để đạc trưng cho truyển krợng sóng điện từ, ta đ ă đ a k h i n iệ m n â n g t h ô n g s ó n g đ iệ n từ : đ ó đ i lư ợ n g v ể t r ị sỏ nâng lượng truyền qua diện tích đơn vị thời gian Mật độ thơng sóng điện từ, tương tự (9—21), cho bới : pp - wv, h a y t h e o ( - ) V = - - = = = = ( -1 1) : \M > /W = yỊ Ụ ; E y[ j I J JH - r =L = = E.H (10-12) Đê đặc trưng cho truyền lượngsóngđiện từ cách đầy đủ, ta định nghĩa vectơ Umốp - Pồinting : ọ p = w.v Vì 90 song song chiều với V nên y* -LE, ọp _L H, dẻ dàng suy : ỹ = Ẽ A H (10-13) Ngồi người ta đưa khái niệm cường độ sóng điện từ : đại lượng trị số trị trung bình theo thời gian mật độ thông điểm Cường độ sóng điện từ J ta có : J = wv Đối với sóng phẳng đơn sắc : (10-14) y )J ux nen Vì ràng tri trung bình cua cos“2 (!) í t - — bang„ — w “ *o*Em “ 2 Kết : T J= c _ * c ' = - e 0€ E ^ yỊeaCMoM ' hay = £g£ F w ” ■ Tương tự : V m Cường độ sóng điện từ tỉ lệ với bình phương biên độ cường độ điện trường hay cường độ từ trường §3 P H Á T SÓNG Đ IỆ N T Ừ C Ủ A M Ộ T L Ư Ỡ N G cự c N G U Y Ê N T Ố D A O Đ Ộ N G (D A O TỬ) Thí nghiêm Héc cho ta thí dụ phát sóng điện từ Trong thí nghiệm rõ ràng điện tích hai cầu A, B biến thiên cách tuần hoàn theo thời gian Thực nghiệm chứng tỏ khoảng cách AB = / phải nhỏ bước sóng X sóng điện từ Ta nói Q T 03 * o ốB Hình - Lưỡng cực nguyẻn tố (*) Còn gọi lằ dao tứ (điều hoà) 333 ta đă tạo nên lưỡng cực nguyên tô dao động Vậy lưỡng cực dao động tạo nên hai điện cực A, B cách mộc khoảng / » Ả, điện tích hai điện cực trái dấu biến thiên cách tuần hoàn theo thời gian (nhờ nguồn cung cấp) Nếu nguồn cho dao động điện điểu hồ điện tídi hai cực cùa lưỡng cực điện biến thiên theo hàm số sin thời gian : q = qơ sin ÙẮ, mômen điện lưỡng cực p = p/ = q /sinú* hàm số sin thời gian Lưỡng cực nguyên tố dao động phát sóng điện từ - đường sức điện từ có dạng hình 10-4 Nếu lấy trung điểm o cùa lưỡng cực làm gốc khoảng cách xa o (khoảng cách lớn so với Ả) sóng điện từ lưỡng cực phát coi sóng cầu Ta xác định vectơ cường độ điện trường E cường độ từ trường H điểm M cách o khoảng r, phương OM hợp vói phương BA góc Phép tính chứng tỏ : Muốn xác định E H M, ta vẽ mặt cầu (O, r) ; vectơ E nằm tiếp xúc với kinh tuyến vectơ H nằm tiếp xúc với vĩ tuyến M Biểu thức E H M cho : Cường độ sóng điện từ M cho 334 „ ù)4 sin (10-15) b) H ìn h 10-4, Đường sức đ iệ n trường từ trường sóng đ iệ n từ lưỡng cực a, b, K số tỉ lệ Theo (10-15) ta thấy rằng, cường độ sóng điện từ ti lệ ngược với bình phương khoảng cách r phụ thuộc vào góc tức phụ thuộc phương truyền sóng điện từ Cùng khoảng cách r, theo phương ứng với = cường độ sóng điện từ cực đ i; theo phương 335 ứng với ớ= 0, cường độ sóng điện từ khơng Nếu phương truyển sóng xuất phát từ o , ta lấy đoạn có chiểu dài tỉ lệ với cường độ sóng điện từ theo phương tương ứng (với khoáng cách r xác định, đầu mút đoạn tạo thành đường cong hình vẽ 10- ) Hình Ỉ - Điộn trường từ trưcmg Hình 10 -6 Đồ thị cường độ sóng điện lưỡng cực dao động từ lưỡng cực §4 T H A N G SÓ N G Đ IỆN T Ừ S ó n g đ iệ n từ đ o n sẤc só n g đ iện từ p h át m ộ t ng u n có tần SỐ (chu kì) xác định Kết mơi trường định, sóng điện từ đơn sắc có bước sóng xác định Gọi Ả bước sóng, T chu kì V vận tốc truyền sóng điện từ mơi trường ta có Ả = vT, 336 Xcm cT n - - 102 n (10-16) Sóng VTĐ - - 10 ° Ảq = cT bước sóng sóng điện từ chân khơng Vậy bước sóng sóng điện từ phụ thuộc mơi trường ; có trị số lớn chân không Người ta phân loại sóng điện từ (đơn sắc) theo độ lớn tần số (tính đơn vị héc) hay bước sóng (trong chân khơng) Ta lâp bảng ghi tên loại sóng điện từ ứng với bưóc sóng từ lớn đến nhỏ gọi thang sóng điện từ - - '2 Sóng hồng ngoại r-KT4 Quang phổ thấy Sóng tử ngoại 10 "6 Tia Rơn ghen - -101-8 10 -10 Tia gama - - -12 Hình -7 Thang sóng điện từ §5 ÁP SU Ấ T SÓ N G Đ IỆ N T Ừ Thực nghiệm chứng tỏ sóng điện từ truyền gặp vật dẫn tác dụng áp lực lên vật dẫn Ta giải thích cách định tính áp lực sóng điện từ Khi sóng điện từ ( e , h ) truyến đến bề mặt vật dẫn (giả sử theo hướng vuỏng góc) vectơ điộn trường E song song với mặt vật dẫn gây nên 337 dòng điện vật dẫn, vectơ mật độ dòng điện j hướng với vectơ điện trường (h.10-8) Do tác dụng cùa từ trường H, dòng điện } chịu tác dụng lực điện từ F có phương vng góc với j với H Kết F vng góc với bề mặt vật dẫn, tạo nên áp lực Lực có cường độ thay đổi theo thời gian (vì cừng độ E H thay đổi theo thời gian) (h.10-8) Giá trị trung bình cùa lực tác dụng lên đơn vị diện tích bể mặt vật dẫn áp suất sóng điện từ Maxwell thiết lập biểu thức áp suất sóng điện từ p truyển đến theo hướng vuồng góc với mặt vật dẫn p = (l + k)w, w mật độ lượng trung bình sóng điện từ, k hệ số phản xạ sóng điện từ mặt vật dẫn Nếu vật dẫn hồn tồn hấp thụ sóng điện từ k = nghĩa p = w ; vật dẫn hồn tồn phản xạ sóng điện từ k = nghĩa p = 2w Trong trường hợp tổng quát -: 'ỉffi^-fỉ >•; Ị»mV -MỡJ -■ ^Mầm ị ỆKMi:::MJ: rnwề(#mm* VẬT LÝ ĐẠI CUDNG - TẬP HAI M ft số: 7K606H8 - D A I I(QĐ: 07),toổ K x 20j5 cm In $ Cơng ly In Văn hố phẩm HàoNam-HầNội :bản:04—2ỮỌB/CXB/233—1999/GO nộpk/u chiểu tháng năm 2006 ...LƯƠNG DUN BÌNH D TRÍ CƠNG - NGUYỄN HỮU H ổ VẬT ú ĐẠI CƯƠNG (DÙNG CHO CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHỐI KĨ THUẬT CÔNG NGHIỆP) Tập hai ĐIỆN -DAO ĐỘNG - SÓNG (Tái lần thứ mười sáu) NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC... tồn điện tích, định luật Vật lí Theo tính chất dẫn điện, người ta phân biệt hai loại vật : vật dẫn điện môi Vật dần vật điện tích chuyển động tự tồn thể tích vật, trạng thái nhiêm điện truyền vật. .. trường điện tích đặt điện trường đểu bị điện trường tác dụng lực Khoa học đại xác nhận đắn thuyết tác dụng ịịẩn tổn điện trường Sau ta thấy trường tinh điện trường hợp đạc biệt trường điện từ