Hệ thống kiến thức Vật lý 11 nâng cao - Chương 1: Điện tích điện trường

Lực tương tác của các điện tích trong điện môi chất cách điện Lực tương tác giữa các điện tích điểm đặt trong điện môi đồng tính, chiếm đầy không gian xung quanh điện tích, giảm đi  lần[r]

Trường THPT Nguyễn Đáng Giáo viên Huỳnh Thế Xương Trường THPT Nguyễn Đáng Lớp 11 Họ và Tên: HỆ THỐNG KIẾN THỨC VẬT LÝ 11 NÂNG CAO Chương ĐIỆN TÍCH  ĐIỆN TRƯỜNG  I/ Điện tích Định luật Cu-lông Hai loại điện tích Sự nhiễm điện các vật a) Có hai loại điện tích: điện tích dương, điện tích âm Các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau, các điện tích trái dấu thì hút + Đơn vị điện tích là cu-lông, kí hiệu là C + Điện tích êlectron là điện tích âm, có độ lớn e = 1,6 1019 C b) Sự nhiễm điện các vật + Nhiễm điện cọ xát: Sau cọ xát vào lụa, thủy tinh có thể hút các mẫu giấy vụn Ta nói thủy tinh nhiễm điện cọ xát + Nhiễm điện tiếp xúc: Cho kim loại không nhiễm điện chạm vào cầu đã nhiễm điện thì kim loại nhiễm điện cùng dấu với điện tích cầu Ta nói kim loại nhiễm điện tiếp xúc Đưa kim loại xa cầu thì kim loại nhiễm điện + Nhiễm điện hưởng ứng: Đưa kim loại không nhiễm điện đến gần cầu đã nhiễm điện không chạm vào cầu, thì hai đầu kim loại nhiễm điện Đầu gần cầu nhiễm điện trái dấu với điện tích cầu, đầu xa nhiễm điện cùng dấu Ta nói kim loại nhiễm điện hưởng ứng Hiện tượng đó gọi là tượng hưởng ứng tĩnh điện (hiện tượng điện hưởng) Đưa kim loại xa cầu thì kim loại lại trở trạng thái không nhiễm điện lúc đầu Định luật Cu-lông Độ lớn lực tương tác hai điện tích điểm tỉ lệ thuận với tích các độ lớn hai điện tích đó và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách chúng Phương lực tương tác hai điện tích điểm là đường thẳng nối hai điện tích điểm đó Hai điện tích cùng dấu thì đẩy nhau, hai điện tích trái dấu thì hút (Hình 1.6) qq + Công thức tính độ lớn lực tương tác hai điện tích điểm: F  k 2 r Trong đó r là khoảng cách hai điện tích điểm q1 , q N.m k là hệ số tỉ lệ, hệ SI, k  9.10 C2 Đơn vị r là mét (m), điện tích q là cu-lông (C) và lực F là niu-tơn (N) + Lực tương tác hai điện tích gọi là lực tĩnh điện hay lực Cu-lông Lực tương tác các điện tích điện môi (chất cách điện) Lực tương tác các điện tích điểm đặt điện môi đồng tính, chiếm đầy không gian xung quanh điện tích, giảm  lần so với chúng đặt chân không qq F  k 22 Trong đó  gọi là số điện môi Trong chân không  = 1; r không khí   II/ Thuyết êlectron Định luật bảo toàn điện tích Thuyết êlectron Nguyên tử cấu tạo gồm hai phần: hạt nhân mang điện tích dương nằm tâm nguyên tử; các êlectron mang điện tích âm quay xung quanh hạt nhân tạo thành lớp vỏ nguyên tử Trang Vật lý 11 Nâng cao Lop11.com Trường THPT Nguyễn Đáng Giáo viên Huỳnh Thế Xương + Bình thường tổng đại số tất các điện tích nguyên tử không, nguyên tử trung hòa điện Nếu nguyên tử bị số êlectron thì trở thành hạt mang điện dương gọi là ion dương Ngược lại, nguyên tử nhận thêm số êlectron thì trở thành ion âm + Khối lượng êlectron nhỏ ( m e  9,1.1031 kg) nên độ linh động lớn Vì êlectron có thể di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác, hay từ vật này sang vật khác Vật thừa êlectron nhiễm điện âm, vật thiếu êlectron nhiễm điện dương Vật (chất) dẫn điện và vật (chất) cách điện + Vật dẫn điện là vật có nhiều hạt mang điện có thể di chuyển khoảng lớn nhiều lần kích thước phân tử vật Những hạt đó gọi là các điện tích tự Kim loại có nhiều êlectron tự do, các dung dịch muối, axit, bazơ có nhiều ion tự Chúng là chất dẫn điện + Vật cách điện (điện môi) là vật có chứa ít điện tích tự Thủy tinh, nước nguyên chất, không khí khô,…là điện môi Giải thích ba tượng nhiễm điện + Nhiễm điện cọ xát: Khi thủy tinh cọ xát với lụa, số êlectron từ thủy tinh di chuyển sang lụa Thủy tinh êlectron nên nhiễm điện dương, lụa nhận thêm êlectron nên nhiễm điện âm + Nhiễm điện tiếp xúc: Khi kim loại trung hòa điện tiếp xúc với cầu nhiễm điện âm, thì phần số các êlectron thừa cầu di chuyển sang kim loại Thanh kim loại thừa êlectron nên nhiễm điện âm cùng loại với điện tích cầu Nếu cầu nhiễm điện dương thì số êlectron tự kim loại di chuyển sang cầu Thanh kim loại êlectron nên nhiễm điện dương + Nhiễm điện hưởng ứng: Thanh kim loại trung hòa điện đặt gần cầu nhiễm điện âm, thì các êlectron tự kim loại bị đẩy xa cầu Do đó, đầu kim loại xa cầu thừa êlectron nên nhiễm điện âm Đầu thiếu êlectron nên nhiễm điện dương Nếu cầu nhiễm điện dương thì kết ngược lại Định luật bảo toàn điện tích Trong hệ vật cô lập điện, nghĩa là hệ không trao đổi điện tích với các hệ khác, thì tổng đại số các điện tích hệ là số III/ Điện trường Điện trường + Một điện tích tác dụng lực điện lên các điện tích khác gần nó Ta nói, xung quanh điện tích có điện trường + Tính chất điện trường là nó tác dụng lực điện lên điện tích đặt nó Cường độ điện trường r Đặt điện tích q vào điện trường Điện trường tác dụng lực F lên điện tích q r F + Thương số đặc trưng cho điện trường điểm xét mặt tác dụng lực gọi là cường q r r r F độ điện trường và kí hiệu là E E  q Trong hệ SI, đơn vị cường độ điện trường thường dùng là vôn/mét (V/m) r r + Từ công thức trên, ta suy ra: F  qE r r r r Nếu q > thì F cùng chiều với E Nếu q < thì F ngược chiều với E Đường sức điện a) Định nghĩa: Đường sức điện là đường vẽ điện trường cho hướng tiếp tuyến điểm nào trên đường trùng với hướng vectơ cường độ điện trường điểm đó b) Các tính chất đường sức điện + Tại điểm điện trường, ta có thể vẽ đường sức điện qua và mà thôi Trang Vật lý 11 Nâng cao Lop11.com Trường THPT Nguyễn Đáng Giáo viên Huỳnh Thế Xương + Các đường sức điện là các đường cong không kín Nó xuất phát từ các điện tích dương và tận cùng các điện tích âm + Các đường sức điện không cắt + Nơi nào cường độ điện trường lớn thì các đường sức điện đó vẽ mau (dày hơn), nơi nào cường độ điện trường nhỏ thì các đường sức đó vẽ thưa c) Điện phổ: Dùng bột cách điện rắc vào dầu cách điện và khuấy Sau đó đặt cầu nhỏ nhiễm điện vào dầu Gõ nhẹ vào khay dầu thì các hạt bột xếp thành các “đường hạt bột” Ta gọi hệ các “đường hạt bột” đó là điện phổ cầu nhiễm điện Điện phổ cho phép ta hình dung dạng và phân bố các đường sức điện Điện trường Một điện trường mà vectơ cường độ điện trường điểm gọi là điện trường + Đường sức điện trường là các đường thẳng song song và cách Điện trường điện tích điểm Q Cường độ điện trường điện tích điểm Q điểm là: E  9.109 Với r là khoảng r cách từ điểm khảo sát đến điện tích Q + Nếu Q > thì cường độ điện trường hướng xa điện tích Q + Nếu Q < thì cường độ điện trường hướng phía điện tích Q Nguyên lý chồng chất điện trường Giả sử ta có hệ n điện tích điểm Q1 , Q , Q n Gọi cường độ điện trường hệ r r điểm nào đó là E Cường độ điện trường điện tích Q1 là E1 , cường độ điện r r trường điện tích Q là E ,…, cường độ điện trường điện tích Q n là E n r r r r điểm xét Khi đó ta có: E  E1  E   E n IV/ Công lực điện Hiệu điện Công lực điện + Công lực điện tác dụng lên điện tích q chuyển động từ M đến N điện trường tính bởi: A MN  qE.MN Trong đó M’, N’ là hình chiếu hai điểm M, N lên trục Ox (trục Ox có chiều trùng với chiều đường sức) + Công lực điện tác dụng lên điện tích không phụ thuộc dạng đường điện tích mà phụ thuộc vào vị trí điểm đầu và điểm cuối đường điện trường Khái niệm hiệu điện a) Công lực điện và hiệu điện tích: A MN  WM  WN b) Hiệu điện thế, điện + Ta có thể biểu diễn A MN  q(VM  VN ) đó (VM  VN ) gọi là hiệu điện hai điểm M, N và kí hiệu là U MN + Hiệu điện hai điểm điện trường là đại lượng đặc trưng cho khả thực công điện trường có điện tích di chuyển hai điểm đó A U MN  VM  VN  MN Các đại lượng VM , VN gọi là điện điện trường q điểm M, N tương ứng Điện điện trường phụ thuộc vào cách chọn mốc tính điện + Đơn vị điện và hiệu điện là vôn (V) + Để đo hiệu điện người ta dùng tĩnh điện kế + Trong kỹ thuật, hiệu điện gọi là điện áp Trang Vật lý 11 Nâng cao Lop11.com Trường THPT Nguyễn Đáng Giáo viên Huỳnh Thế Xương Liên hệ cường độ điện trường và hiệu điện thế: E  để ý đến dấu các đại lượng thì ta có thể viết E  U MN Trong trường hợp không cần MN U Với d là khoảng cách M’, N’ d V/ Vật dẫn và điện môi điện trường Vật dẫn điện trường a) Trạng thái cân điện: Sau vật dẫn tích điện, vật dẫn không còn dòng điện nữa, người ta nói vật dẫn cân tĩnh điện hay nói tắt là cân điện b) Điện trường vật dẫn tích điện: Khi vật dẫn cân điện: + Bên vật dẫn, điện trường không + Trong phần rỗng vật dẫn, điện trường không + Cường độ điện trường điểm trên mặt ngoài vật dẫn vuông góc với mặt ngoài c) Điện vật dẫn tích điện: Khi vật dẫn cân điện, điện điểm trên mặt ngoài và điểm bên vật dẫn có giá trị Vật dẫn đó là vật đẳng d) Sự phân bố điện tích vật dẫn tích điện + Khi vật dẫn nhiễm điện thì điện tích phân bố mặt ngoài vật + Ở chỗ lồi mặt vật dẫn, điện tích tập trung nhiều và nhiều chỗ mũi nhọn Ở chỗ lõm không có điện tích Điện môi điện trường Khi đặt vật điện môi điện trường thì hạt nhân và êlectron các nguyên tử vật đó chịu tác dụng lực điện trường Các êlectron xê dịch ngược chiều điện trường, còn hạt nhân thì không xê dịch Kết là nguyên tử kéo dãn chút và chia thành hai đầu mang điện tích trái dấu Người ta nói điện môi bị phân cực (H 6.5 Sgk) VI/ Tụ điện Tụ điện a) Định nghĩa: Tụ điện là hệ hai vật dẫn đặt gần Mỗi vật dẫn đó gọi là tụ điện Khoảng không gian hai có thể là chân không hay bị chiếm chất điện môi nào đó + Kí hiệu tụ điện sơ đồ mạch điện: b) Tụ điện phẳng là tụ điện mà hai tụ là hai kim loại phẳng có kích thước lớn, đặt đối diện và song song với + Khi tích điện thì điện tích hai tụ điện phẳng có độ lớn Độ lớn điện tích trên gọi là điện tích tụ điện Điện dung tụ điện a) Định nghĩa: Nối hai tụ điện với nguồn điện có hiệu điện U thì tụ điện Q có điện tích Q Thương số đặc trưng cho khả tích điện tụ điện và gọi là U Q điện dung tụ điện, kí hiệu là C C  U + Trong hệ SI, đơn vị điện dung là fara, kí hiệu là F Fara là điện dung tụ điện mà hiệu điện hai là V thì điện tích tụ điện là C + Các ước fara: F  106 F ; nF  109 F ; pF  1012 F b) Công thức tính điện dung tụ điện phẳng: C  S Trong đó S là phần diện 9.109.4d tích đối diện hai ( m ), d là khoảng cách hai (m) và  là số điện môi chất điện môi chiếm đầy hai + Mỗi tụ điện có hiệu điện giới hạn U M (hiệu điện lớn nhất) thường ghi trên tụ điện Nếu hiệu điện hai tụ U > U M thì điện trường tụ điện Trang Vật lý 11 Nâng cao Lop11.com Trường THPT Nguyễn Đáng Giáo viên Huỳnh Thế Xương U U  E M  M ( E M là điện trường giới hạn lớp điện môi) Khi đó điện môi tính d d chất cách điện, ta nói điện môi bị đánh thủng (tụ điện bị hỏng) Vậy, không nên mắc tụ điện vào hiệu điện lớn hiệu điện giới hạn E Ghép tụ điện Khi ghép các tụ điện với ta tụ điện Gọi C1 , C2 , , Cn ; U1 , U , , U n ; Q1 , Q , , Q n là điện dung, hiệu điện và điện tích các tụ điện và Cb , U b , Q b là điện dung, hiệu điện và điện tích tụ điện Khi đó ta có: Q b  Cb U b và Q1  C1U1 ; Q  C2 U ; a) Ghép song song + Tạo tụ điện có điện dung lớn Q b  Q1  Q   Q n + U b  U1  U   U n + Cb  C1  C2   Cn Q1 C1  (Điện tích tỉ lệ thuận với điện dung) Q2 C2 + Nếu có n tụ điện C0 giống ghép song song thì Cb  nC0 và Q b  nQ0 b) Ghép nối tiếp + Tạo tụ điện có điện dung nhỏ + U b  U1  U   U n + 1 1     Cb C1 C2 Cn Q b  Q1  Q   Q n U1 C2  (Hiệu điện tỉ lệ nghịch với điện dung) U C1 + Nếu có n tụ điện C0 giống ghép nối tiếp thì Cb  C0 và U b  nU n VII/ Năng lượng điện trường Năng lượng tụ điện: Q2 1 W  CU Hoặc W  QU Hoặc W  C 2 Đơn vị lượng là jun (J) Năng lượng điện trường + Năng lượng tụ điện chính là lượng điện trường tụ điện E W V Trong đó V là thể tích khoảng không gian hai tụ điện phẳng ( m3 ) 9.10 8 + Mật độ lượng điện trường: w  W Hay V w E 9.109.8 Đơn vị mật độ lượng là J/ m3 Trang Vật lý 11 Nâng cao Lop11.com