Vật lý đại cương 2 điện từ và quang học

Vật lý đại cương 2 điện từ và quang học Vật lý đại cương 2 điện từ và quang học Vật lý đại cương 2 điện từ và quang học Vật lý đại cương 2 điện từ và quang học Vật lý đại cương 2 điện từ và quang học Vật lý đại cương 2 điện từ và quang học Vật lý đại cương 2 điện từ và quang học Vật lý đại cương 2 điện từ và quang học Vật lý đại cương 2 điện từ và quang học Vật lý đại cương 2 điện từ và quang học Vật lý đại cương 2 điện từ và quang học Vật lý đại cương 2 điện từ và quang học Vật lý đại cương 2 điện từ và quang học Vật lý đại cương 2 điện từ và quang học

VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG ĐIỆN TỪ VÀ QUANG HỌC VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG ĐIỆN TỪ VÀ QUANG HỌC -Chương TRƯỜNG TĨNH ĐIỆN Các tượng tĩnh điện sở để nghiên cứu tượng Điện Từ nói chung Vì để nghiên cứu tượng điện từ, chương xét đặc trưng tương tác hạt tích điện đứng yên tương đối hệ qui chiếu quán tính § 1.1 TƯƠNG TÁC ĐIỆN – ĐỊNH LUẬT COULOMB I TƯƠNG TÁC ĐIỆN , SỰ NHIỄM ĐIỆN 1) Tương tác điện Khi đưa thủy tinh lại gần vật nhẹ (như mẩu giấy) khơng hút vật nhẹ, chúng có tương tác hấp dẫn, cọ xát vào số vật vào len, dạ, lụa, đưa lại gần vật nhẹ có khả hút vật nhẹ Như vậy, cọ xát, thủy tinh xuất tính chất mới, khác với tính hấp dẫn vật Tính chất khơng có thủy tinh, mà số chất khác có tính chất giống cọ xát Người ta gọi vật sau cọ xát, xuất tính chất hút vật nhẹ, vật bị nhiễm điện hay vật tích điện Các vật nhiễm điện có chứa điện tích Người ta kí hiệu giá trị đại số lượng điện tích mà vật tích q Nếu làm nhiễm điện hai thủy tinh cách cọ xát vào dạ, đưa lại gần chúng xuất lực đẩy Nhưng cọ xát nhựa, vào để nhiễm điện đưa lại gần thủy tinh bị nhiễm điện theo cách chúng xuất lực hút Như điện tích xuất thủy tinh khác loại Từ thí nghiệm nhiều thí nghiệm với vật chất khác, cho thấy tự nhiên: • có hai loại điện tích Điện tích dương điện tích âm • Các vật có điện tích dấu đẩy Các vật có điện tích trái dấu hút • Tương tác vật nhiễm điện đứng yên gọi tương tác tĩnh điện Khi hạt mang điện chuyển động chúng cịn có tương tác từ Tổng qt, người ta gọi tương tác hạt mang điện tương tác điện từ Ngày nay, khoa học chứng tỏ vật chất vũ trụ chủ yếu cấu thành từ hạt sơ cấp Đó hạt có kích thước khối lượng nhỏ hạt nhân nguyên tử electron, prôton, nơtrôn, mêzôn, muyôn, piôn, phôtôn, nơtrinơ, quark… Điện tích đặc trưng hạt sơ cấp Hạt sơ cấp mang điện dương, âm khơng mang điện, hạt sơ cấp mang điện khơng thể làm cho điện tích Điện tích hạt sơ cấp thuộc tính khơng thể tách rời khỏi hạt Nghĩa điện tích tồn dạng hạt sơ cấp mang điện, khơng thể có điện tích khơng gắn liền với hạt sơ cấp Điện tích hạt sơ cấp điện tích nhỏ tồn tự nhiên gọi điện tích nguyên tố, có độ lớn e = 1, 6.10−19 C Đó số quan trọng tự nhiên Cũng lưu ý e 2e rằng, hạt quark có điện tích nhỏ điện tích nguyên tố (  ;  ) chưa phát 3 hạt quark tự có hạt quark liên kết, khơng thể lấy điện tích chúng làm điện tích ngun tố phát Hai hạt sơ cấp mang điện, thành phần cấu tạo nên nguyên tử nguyên tố, tồn lâu dài trạng thái tự prôtôn electrôn Hạt electrôn mang điện tích nguyên tố âm: −e = −1, 6.10−19 C , hạt prơtơn mang điện tích ngun tố dương: +e = +1, 6.10−19 C Khối lượng VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG ĐIỆN TỪ VÀ QUANG HỌC -êlectron nhỏ me = 9,1.10−31 kg , nên linh động Khối lượng prôtôn lớn gấp 1836 lần khối lượng êlectrơn Các hạt sơ cấp tích điện dương hay âm, có điện tích bội số nguyên lần điện tích nguyên tố Như điện tích hạt sơ cấp khơng phải có giá trị liên tục, mà gián đoạn Người ta nói điện tích bị “lượng tử hóa” Ngun tử cấu thành từ hạt nhân êlectrôn Hạt nhân gồm hạt prôtôn nơtrôn không mang điện Electrôn linh động, di chuyển từ nguyên tử sang nguyên tử khác, từ vật sang vật khác Sự linh động electrôn gây nên tượng điện tư nhiên Thuyết dựa vào chuyển dời êlectrơn để giải thích tượng điện gọi thuyết điện tử • Bình thường tổng số prơtơn electrôn nguyên tử Nên nguyên tử trung hịa điện • Nếu ngun tử nhận thêm electrôn, số electrôn nguyên tử lớn số prôtôn hạt nhân nguyên tử mang điện âm gọi ion âm • Nếu ngun tử cho electrơn, số electrôn nguyên tử nhỏ lớn số prôtôn hạt nhân nguyên tử mang điện âm gọi ion dương • Khi vật nhiễm điện, vật thừa thiếu electrơn lượng điện tích mà vật tích số nguyên lần điện tích nguyên tố: q = ne, n nguyên dương 2) Vật (chất) dẫn điện vật (chất) cách điện Về phương diện điện, vật liệu chia làm hai loại vật dẫn điện vật cách điện a) Vật dẫn điện: vật dẫn điện vật chúng tồn nhiều hạt mang điện tự Hạt mang điện tự do: hạt mang điện di chuyển khoảng lớn nhiều lần kích thước phân tử vật Ví dụ: kim loại, nước, gỗ ướt… Vật dẫn điện lại chia làm hai loại: vật dẫn điện loại vật dẫn điện loại hai • Vật dẫn điện loại một, vật dẫn, mà di chuyển điện tích tự khơng gây biến đổi hóa học nào, khơng gây dịch chuyển nhận thấy vật chất (như kim loại, bán dẫn) • Vật dẫn điện loại hai vật dẫn mà di chuyển điện tích tự vật vật gắn liền với biến đổi hóa học, dẫn đến thành phần vật chất chổ chúng tiếp xúc với vật dẫn khác (như muối, bazơ nóng chảy, dung dịch muối axít, bazơ) b) Vật cách điện (điện mơi) Là vật mà chúng có điện tích tự do, tức đa phần hạt tích điện định xứ nơi nhiễm điện Ví dụ: (thủy tinh, nước ngun chất, khơng khí khơ ) 3) Các cách làm vật nhiễm điện Ở THPT biết có cách làm vật nhiễm điện: • Nhiễm điện tiếp xúc: Vật A nhiễm điện cho tiếp xúc vật B chưa nhiễm điện, kết B nhiễm điện dấu với A • Nhiễm điện cọ xát: Vật A cọ xát với vật B, kết vật A B nhiễm điện trái dấu độ lớn điện tích • Nhiễm điện hưởng ứng: Vật A nhiễm điện đưa lại gần vật B trung hịa, có phân bố lại điện tích vật B, kết đầu B gần A nhiễm điện trái dấu với A đầu B xa A nhiễm điện dấu với A Bỏ vật A kết B lại trở thành trung hòa điện VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG ĐIỆN TỪ VÀ QUANG HỌC -4) Định luật bảo tồn điện tích • Định luật: Trong hệ cô lập điện, tổng đại số điện tích hệ khơng đổi • Ví dụ: Hai vật A B trung hịa điện, điện tích chúng q A = 0; qB = Khi cọ xát chúng với nhau, electrơn di chuyển từ A sang B ngược lại làm chúng tích điện qA & qB Hệ A B trao đổi điện tích với nên hệ lập đó: qA + qB = qA + qB = → qA = −qB Vậy sau cọ xát hai vật mang điện có độ lớn trái dấu ĐỊNH LUẬT COULOMB (Culông) II Năm 1785 thực nghiệm, nhà bác học Coulomb tìm qui luật tương tác hai điện tích điểm đặt cách đoạn r chân khơng 1) Điện tích điểm (điểm tích điện): Xét vật A tích điện q Nếu kích thước A nhỏ nhiều khoảng cách từ A đến điểm khảo sát B vật B, ta nói vật A điện tích điểm Khi vật mang điện điện tích điểm, ta coi phần tử kích thước nhỏ mang điện tích q (hay điểm mang điện q) 2) Định luật Coulomb a) Nội dung định luật Xét hai điện tích điểm q1 q2 đứng yên, cách khoảng r = r12 = r21 chân khơng Kí hiệu lực tĩnh điện mà q1 tác dụng lên q2 F12 lực tĩnh điện mà q2 tác dụng lên q1 F21 Nội dung định luật là: q1q2 q1q2 Độ lớn lực: F12 = F21 = F0 = k • Điểm đặt: F12 đặt vào điện tích q2 F21 đặt vào điện tích q1 • Phương F12 F21 trùng phương đường thẳng nối hai điện tích q1 & q2 • Chiều: q1 & q2 dấu ( q1.q2  ) lực tương tác đẩy; q1 & q2 trái dấu ( q1.q2  ) r = • 4 r lực tương tác hút Trong đó: k = 4 hệ số tỷ lệ phụ thuộc hệ đơn vị Trong hệ SI: điện tích đo đơn vị culơng (kí hiệu C); khoảng cách r đo mét (m) k = 4 = 9.109 N m C2 số  = C2 4 9.109 N m2 điện VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG ĐIỆN TỪ VÀ QUANG HỌC -Phát biểu: Lực tương tác hai điện tích điểm đứng n chân khơng vector, có q1  phương đường thẳng nối hai điện tích đó, có điểm đặt điện tích chịu lực, có chiều hướng F21 q1  xa hai điện tích dấu lại gần F21 hai điện tích trái dấu, có độ lớn tỷ lệ với q2  r12 r12 q2  F12 F12 tích số độ lớn hai điện tích tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách hai điện tích b) Định luật Coulomb môi trường Thực nghiệm cho thấy, môi trường đồng chất đẳng hướng, độ lớn lực tương tác điện tích đứng yên F12 = F21 = k q1q2 r = giảm  lần so với chân khơng, cịn hướng giữ khơng đổi Nên: q1q2 4  r   đại lượng khơng có thứ ngun, đặc trưng cho tính chất điện mơi trường(có giá trị phụ thuộc vào môi trường) gọi số điện môi môi trường Bảng số điện môi môi trường Môi trường Hằng số  Môi trường Hằng số  Chân không Mi ca 5,5 Khơng khí 1,0006 Giấy 3,5 Thủy tinh  10 Dầu lửa ( 200 C ) 2,2 Nước( 200 C ) 81 Ê bô nit 2,7  2,9 Sứ 6,5 Rượu Êtilic( 200 C ) 25 c) Biểu thức vector định luật Coulomb Kí hiệu r12 vector có độ lớn r12 = r hướng từ điện tích q1 sang điện tích q2 lực q1 tác dụng lên q2 viết: F12 = k q1q2 r12 q1q2 r12 =  r r 4 0 r r Tương tự, kí hiệu r21 vector có độ lớn r21 = r hướng từ điện tích q2 sang điện tích q1 lực q2 tác dụng lên q1 viết: F21 = k q1q2 r21 q1q2 r21 =  r r 4 0 r r III NGUYÊN LÝ TỔNG HỢP CÁC LỰC TĨNH ĐIỆN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG ĐIỆN TỪ VÀ QUANG HỌC -• Xét điện tích q0 nằm khơng gian hệ gồm n điện tích điểm q1 , q2 , q3, .qi .qn phân bố rời rạc Lực tổng hợp hệ n điện tích tác dụng lên điện tích q0 định bởi: n F = F10 + F20 + F30 + Fn =  Fi = i =1 • q0 n qi r 4  i =1 i0 ri Chú ý: dựa vào nguyên lí người ta chứng minh lực tương tác hai cầu tích điện q1 q2 , tuân theo định luật Coulomb có độ lớn định bởi: F12 = F21 = q1q2 4 0 r , r khoảng cách tâm hai cầu IV CÁC THÍ DỤ 1) Ví dụ Hai cầu kim loại A B giống hệt ,có khối lượng 100g, tích điện với điện tích −3, 2.10−6 C đặt cố định khơng khí, tâm chúng cách r = 30cm Mỗi cầu thừa hay thiếu điện tử? Tính độ lớn lực tương tác tĩnh điện chúng? Lực lớn hay nhỏ lực hấp dẫn chúng lần? Lấy số hấp dẫn vũ trụ G = 6, 67.10−11 Nm2 / kg Giải Do cầu mang điện âm nên chúng thừa điện tử Điện tích cầu số nguyên lần điện tích nguyên tố, nên số điện tử thừa định bởi: n = q 3, 2.10−6 = = 2.1025 điện tử e 1, 6.10−19 Độ lớn lực tĩnh điện định bởi: F= q1q2 4 0 r ( −3, 2.10 )  ( −3, 2.10 ) = 1,024N (3.10 ) −6 = 9.10 Độ lớn lực hấp dẫn định bởi: Fhd = G −6 −1 m1  m2 r2 ( ) 9.109 3, 2.10−6 k  q1  q2 F = =  13, 6.109 lần Tỷ số cần tìm: −11 −1 Fhd G  m1  m2 6, 67.10  10 Trong tự nhiên tồn bốn loại lực cấu thành giới có cường độ giảm dần sau: Lực tương tác mạnh (lực tương tác hacdron), lực điện từ (lực tương tác điện tích); lực tương tác yếu (trong phân rã  ) lực hấp dẫn VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG ĐIỆN TỪ VÀ QUANG HỌC -Ví dụ Hai cầu kim loại giơng hết mang điện tích q1 = 4C q2 = −8 C đặt cách đoạn r tương tác với lực có độ lớn 1, 2N Cho chúng tiếp xúc đặt lại vị trí cũ Hãy tìm lực tương tác chúng Giải Lực tương tác lúc đầu lực hút có độ lớn định F1 = k q1q2  r2 (1) Khi hai qua câu tiếp xúc nhau, chúng trao đổi điện tích cho Gọi q1 & q2 điện tích sau trao đổi Do hai cầu kim loại giống nên q1 = q2 Áp dụng định luật bảo tồn điện tích q1 + q2 = q1 + q2 ta có q1 = q2 = Khi đặt vị trí cũ lực tương tác chúng F2 = k q1q2  r2 q1 + q2 (q + q ) =k 4 r 2 (2) F (q + q ) Lập tỷ số: = = 0,125 → F2 = 0,125F1 = 0,15 N F1 q1q2 § ĐIỆN TRƯỜNG – VECTOR CƯỜNG ĐỘ ĐIỆN TRƯỜNG I KHÁI NIỆM ĐIỆN TRƯỜNG Trong quan sát ngày chúng ta, hai vật tương tác với chúng phải tiếp xúc nhờ vật trung gian để truyền tương tác Tại điện tích đứng n chân khơng cách khoảng r tương tác với nhau? Vật lý học đại chứng tỏ tương tác cách điện tích xảy Mỗi điện tích đứng n tạo quanh mơi trường vật chất gọi điện trường tĩnh Điện trường điện tích gây lan truyền không với vận tốc hữu hạn gặp điện tích khác, điện trường tác dụng lực điện lên điện tích Nghĩa nhờ điện trường mà lực tương tác truyền dần từ điện tích sang điện tích Như vậy, điện trường dạng vật chất – dạng trường (vì có lương, khối lượng động lượng) Nguồn gốc điện trường tĩnh điện tích đứng yên gây Tính chất điện trường tác dụng lực lên điện tích khác Lực tương tác điện tích đứng yên gọi lực điện trường (tĩnh) Điện trường tĩnh trường hợp riêng trường điện từ nghiên cứu chương sau II VECTOR CƯỜNG ĐỘ ĐIỆN TRƯỜNG (TĨNH) Định nghĩa VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG ĐIỆN TỪ VÀ QUANG HỌC -Xét điểm M điện trường tĩnh Lần lượt đặt điểm M điện tích thử q1 ; q2 , q3 xác định lực điện trường tĩnh F1; F2 ; tác dụng lên điện tích Thực nghiệm cho thấy, tỷ số F1 F2 F3 = = = = const q1 q2 q3 Như vậy, điểm M xác định điện trường, vector Fi = const không phụ thuộc điện tích qi ngồi đưa vào điện trường, nên dùng để đặc trưng cho điện trường điểm M phương diện tác dụng lực phương chiều độ lớn gọi vector cường độ điện trường điểm M Vậy vector cường độ điện trường điểm M điện trường: • Kí hiệu E • Biểu thức: E = F q Trong đó, F lực điện trường E M, tác dụng lên q điện tích bên ngồi đưa vào điện trường V  điểm M Đơn vị đo cường độ điện trường: vôn/mét -   m Vậy: Vector cường độ điện trường điểm đại lượng đặc trưng cho điện trường điểm phương diện tác dụng lực, có độ lớn phương chiều lực điện trường tác dụng lên đơn vị điện tích dương đặt điểm Điện trường điện trường mà điểm E = const Lực điện trường Nếu biết E điểm, biểu thức lực điện trường tác dụng lên q định bởi: F = qE • Nếu q  → F  E • Nếu q  → F  E Vector cường độ điện trường gây điện tích điểm Q Điện tích điểm Q gây quanh điện trường Gọi r vector xác định vị trí M so với Q Nếu đưa điện tích điểm q vào đặt M điện trường Q Theo định luật Coulomb, lực điện VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG ĐIỆN TỪ VÀ QUANG HỌC -Qq r trường Q tác dung lên q định bởi: F = k Do vector cường độ điện trường điện tích r r điểm Q gây M điịnh bởi: E = Q r F tức là: E = k r r q Tức là, vector cường độ điện trường điện tích điểm Q gây điểm cách r có: • Điểm đặt M • Phương: đường thẳng nối Q M • Chiều: hướng xa Q Q > lại gần Q Q < • Độ lớn: E = k E r Q  r2 r Q>0 E Q