Đang tải... (xem toàn văn)
BÀI GIẢNG THUỘC CHƯƠNG 8 CỦA GIÁO TRÌNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG MÔ TẢ CHI TIẾT CHƯƠNG TĨNH ĐIỆN HỌC CŨNG NHƯ CÁC ĐỊNH LUẬT LIÊN QUAN TRONG CHƯƠNG TĨNH ĐIẸN NHƯ ĐIỆN TRƯỜNG, ...
CHƯƠNG TĨNH ĐIỆN HỌC Mục tiêu học tập - Hiểu vận dụng tính đ/ Coulomb t/tác đ.tích điểm Hiểu vận dụng tính k/niệm véc tơ cường độ đ/trường đ/trường lưỡng cực điện - Hiểu vận dụng tính đ.tích điểm đ/trường, điện hiệu điện - - Hiểu cấu tạo chất điện môi phân cực chất điện môi 8.1 KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU Các cách nhiễm điện cho vật Hai loại điện tích: Các cách nhiễm điện cho vật: - Cọ sát - Tiếp xúc - Hưởng ứng Điện tích dương: Điện tích giống điện tích thuỷ tinh cọ sát vào lụa gọi điện tích dương Điện tích âm: Điện tích giống đ.tích êbơnit cọ sát vào gọi điện tích âm Tương tác điện tích Các đ.tích dấu đẩy nhau, trái dấu hút Sơ lược thuyết điện tử - Điện tích vật có cấu tạo gián đoạn, ln số ngun lần đ.tích nhỏ gọi điện tích nguyên tố e=1,6.10-19C - Proton (p) điện tử (electron= e-) có thành phần cấu tạo nguyên tử chất p nằm hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương e- chuyển động xung quanh hạt nhân mang điện tích âm có độ lớn điện tích ngun tố - Ở trạng thái bình thường số p e- nguyên tử (bằng số thứ tự Z hệ thống tuần hoàn), ta nói ngun từ trung hồ điện Nếu ngun tử n e- tử nguyên tử tích điện dương Ze gọi ion dương Nếu nguyên tử nhận vào n e- ngun tử tích điện âm -Ze gọi ion âm Học thuyết vào chuyển động e- để giải thích tượng điện gọi thuyết điện tử Định luật bảo tồn điện tích Tổng đại số điện tích hệ lập số Cách khác: Điện tích ko thể tự nhiên sinh ra, ko thể tự nhiên biến chuyển từ vật sang vật khác phần sang phần khác vật VD: Cọ sát thuỷ tinh vào lụa e- chuyền từ thuỷ tinh di chuyển sang lụa, tổng điện tích thuỷ tinh lụa ko đổi Vật dẫn điện, vật cách điện a Vật dẫn điện Là vật mà đ.tích di chuyển từ điểm sang điểm khác vật (vật có điện tích tự do) VD: Kim loại, d2 điện phân, … b Vật cách điện (điện mơi) Là vật mà điện tích ko thể di chuyển từ điểm sang điểm khác vật (vật ko có điện tích tự do) VD: Sứ, gỗ, nước cất tuyệt đối, … Ngồi cịn số chất vừa có tính chất dẫn điện, vừa có t/chất cách điện gọi chất bán dẫn VD: Silic (Si), Gecmany (Ge), Các thuốc dạng oxit kim loại dạng bán dẫn, Điện tích điểm Là vật mang đ.tích có kích thước nhỏ so với kích thước khảo sát 8.2 Tương tác điện tích điểmĐịnh luật Coulomb Ảnh lực hấp dẫn hai thiên hà (Nguồn NASA) Ở mức độ nguyên tử, lực hút tĩnh điện electron proton lớn nhiều so với thu hút lẫn chúng lực hấp dẫn Định luật Coulomb chân không Charles Augustin Coulomb- người Pháp, năm 1875 thực nghiệm tìm định luật tương tác đ.tích điểm Tương tác đ.tích điểm đứng yên → tương tác tĩnh điện hay tương tác Coulomb Định luật: Lực tương tác điện tích điểm đứng n có độ lớn tỷ lệ thuận với tích độ lớn điện tích tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách chúng q1, q2 giá trị đ.tích điểm, q1 q F21 = F12 = k r khoảng cách đ.tích điểm r gọi số điện, k số Trong hệ SI: k = 4 0=8,86.10-12(C2/N.m2) Lực Coulomb loại lực lực yếu Lực Coulomb lực xuyên tâm, thoả mãn nguyên lý chồng chất lực Nếu ta kẻ r từ điện tích q1 sang q2 ta viết: F21 q1 + q1 q F12 = r 4 r F21 q1 - r q2 + F12 r q2 - F12 q1 + F21 = − F12 q2 - r F21 F12 Định luật Coulomb điện mơi Nếu đ.tích điểm q1 q2 đặt điện mơi lực tương tác chúng: q q F12 = 4 r r Trong số, phụ thuộc chất môi trường nhiệt độ, gọi số điện môi VD: Môi trường chân ko =1, ko khí =1,0061, nước cất =81,… Định luật Coulomb tính lực tương tác đ.tích điểm Nếu áp dụng nguyên lý tổng hợp lực ta tính lực tương tác cho hệ đ.tích điểm hai vật + Nếu có hệ đ.tích điểm q1, q2, q0 Thì lực tương tác hệ lên q0 là: n F0 = F10 + F20 + = Fi i =1 Để tính lực F0 ta phải áp dụng quy tắc hình bình hành để tính tổng hợp lực + Nếu vật mang điện ta chia vật thành vơ số phần mang điện nhỏ coi đ.tích điểm, sau tính hệ đ.tích điểm VD Một hạt hạt nhân nguyên tử helium (He), có khối lượng m=6,64.10-27kg điện tích q=+2e=3,2.10-19C Hãy so sánh lực tĩnh điện lực hấp dẫn hạt với khoảng cách Hằng số hấp dẫn G=6,67.10-11Nm2/kg2, số điện 0=8,86.10-12C2/N.m2, =1 Hướng dẫn: Lực tĩnh điện hạt Fe: Lực hấp dẫn hạt Fg: So sánh lực Fe Fg: Fe = q.q 4 r m2 Fg = G r Fe q2 35 = = , 10 Fg 4 m Bài tập Một lưỡng cực điện đặt điện trường có cường độ điện trường 5.105 N/C hình vẽ Điện tích lưỡng cực điện 1,6.1019C, nằm mặt phẳng cách d= 0,125nm Tìm a) Hợp lực tác dụng lên lưỡng cực điện b) Độ lớn hướng mô men lưỡng cực điện c) Độ lớn hướng mô men ngẫu lực tác dụng lên lưỡng cực điện d) Thế lưỡng cực điện vị trí hình vẽ Hướng dẫn: a) Lực tác dụng lên điện tích nhau, ngược chiều → lực tổng hợp b) p=2.10-29C.m c) Mô men ngẫu lực tác dụng lên lưỡng cực điện: M=pE.sin=2.10-29.5.105.sin1450=5,7.10-24N.m d) Thế tĩnh điện lưỡng cực điện là: W= - pE.cos= - 2.10-29.5.105.cos1450= 8,2.10-24J BÀI TẬP Cho điện tích q1=8.10-8C q2=-3.10-8C đặt điểm M, N cách khoảng d=10cm khơng khí a) Tính cường độ điện trường điểm A, B, C Biết MA=4cm (A thuộc nằm MN), MB=5cm (B thuộc nằm MN), MC=9cm NC =7cm (C ko thuộc MN) b) Lực tác dụng lên điện tích q=-5.10-10C C Hướng dẫn: Bài tập Một vòng tròn làm dây dẫn mảnh bán kính R=5cm mang điện tích q=5.10-8C phân bố sợi dây Viết biểu thức tính cường độ điện trường E điểm nằm trục vòng dây cách tâm vòng dây đoạn x Lấy =1, 0=8,86.10-12 C2/N.m2 a) Áp dụng: x=0, x=10cm b) Tại điểm trục vịng dây E cực đại Hướng dẫn: Bài tập Tại đỉnh C, D hình chữ nhật ABCD (cạnh AB=4m, BC=3m) người ta đặt điện tích điểm q1=-3.10-8C, q2=3.10-8C Tính hiệu điện điểm A B Lấy =1, 0=8,86.10-12 C2/N.m2 Hướng dẫn: Bài tập Tính cơng cần thiết để dịch chuyển điện tích q=3.10-8C từ điểm M cách cầu tích điện bán kính r=1cm khoảng R=10cm xa vơ cực Biết cầu có mật độ điện tích mặt =1011C.cm2 Hướng dẫn: Bài tập Một neuron quen thuộc chúng ta, hiệu điện mặt mặt màng tế bào vào khoảng -70mV trạng thái nghỉ bề dày màng khoảng chừng 5,6nm Tính cường độ điện trường bên màng tế bào Điện trường t bào: U 70.10−3 E= = = 12 , 10 V /m −9 d 5,6.10 BT 9: Tính cường độ điện trường sợi dây thẳng dài vơ hạn tích điện gây điểm cách sợi dây đoạn a = 20 cm Biết mật độ điện tích dài = 1,5.10-6 C/m Hằng số điện 0 = 8,86.10-12 N1.C2.m-2 Sợi dây đặt mơi trường có số điện môi = Web site download sách miễn phí: Booksc.org Gõ tên sách vào Web site download báo miễn phí: Sci-hub.se Copy: số ký tự trước từ doi Phân tử HCl coi lưỡng cực điện có mơ men lưỡng cực điện 1,18.10-30 C.m Phân tử HCl điện trường có cường độ điện trường 2,5.106 N/C a) Xác định độ biến đổi tĩnh điện mô men lưỡng cực từ phân tử HCl từ song song chuyển sang vng góc với đường sức? b) Xác định nhiệt độ T phân tử HCl động tịnh tiến trung bình i.kT/2 với phần tĩnh điện biến đổi phần a) Biết số Boltzơman k=1,38.10-23 J/K a) Sự thay đổi tĩnh điện= công A: A = W1 − W2 = pE(cos − cos 1 ) A= 1,18.10-30.2,5.106 (cos 900- cos00) = - 2,95.10-24J 0,25 0,25 0,25 0,25 b) HCl lưỡng nguyên tử → i=5 0,25 Độ biến thiên : |W| =ikT/2 0,25 2,95.10-24= 5.1,38.10-23 T/2 0,25 →T = 0,086 K 0,25 Phân tử HBr coi lưỡng cực điện có mơ men lưỡng cực điện 0,85.10-30 C.m Phân tử HBr điện trường có cường độ điện trường 1,42.106 N/C a) Xác định độ biến đổi tĩnh điện mô men lưỡng cực từ phân tử HBr từ song song chuyển sang vng góc với đường sức? b) Xác định nhiệt độ T phân tử HBr động tịnh tiến trung bình i.kT/2 với phần tĩnh điện biến đổi phần a) Biết số Boltzơman k=1,38.10-23 J/K a) Sự thay đổi tĩnh điện= công A: A = W1 − W2 = pE(cos − cos 1 ) 0,25 0,25 A= 0,85.10-30.1,42.106 (cos 900- cos00) 0,25 = - 1,207.10-24J 0,25 b) HBr lưỡng nguyên tử → i=5 0,25 Độ biến thiên : |W| =ikT/2 0,25 1,207.10-24= 5.1,38.10-23 T/2 0,25 →T = 0,035 K 0,25 ... lưỡng cực điện: M=pE.sin=2.10-29.5.105.sin1450=5,7.10-24N.m d) Thế tĩnh điện lưỡng cực điện là: W= - pE.cos= - 2.10-29.5.105.cos1450= 8, 2.10-24J BÀI TẬP Cho điện tích q1 =8. 10-8C q2=-3.10-8C đặt... Thế lưỡng cực điện điện trường lưỡng cực điện có mơ men lưỡng cực điện pe điện trường có cường độ điện trường E Mô men lưỡng cực điện: pe = q.d Mô men ngẫu lực tác dụng lên lưỡng cực điện: M = qE.d... 5,34.10-34 (N.m) 8. 4 ĐIỆN THẾ, HIỆU ĐIỆN THẾ Công lực điện trường Có điện tích +q → xung quanh có điện trường Điện trường tác dụng làm q0 di chuyển từ → theo đường Công lực điện trường bằng: