Thư viện tri thức trực tuyến
Kho tài liệu với 50,000+ tài liệu học thuật
© 2023 Siêu thị PDF - Kho tài liệu học thuật hàng đầu Việt Nam
Vật lý đại cương 2
Nội dung xem thử
Mô tả chi tiết
1
MỤC LỤC
CHƢƠNG 1. TRƢỜNG TĨNH ĐIỆN...............................................................................3
§1. ĐIỆN TÍCH – ĐỊNH LUẬT COULOMB ....................................................................3
§2. ĐIỆN TRƢỜNG............................................................................................................7
§3. ĐỊNH LÍ OSTROGRADXKI – GAUSS (O - G).........................................................13
§4. CÔNG CỦA LỰC ĐIỆN TRƢỜNG – ĐIỆN THẾ, HIỆU ĐIỆN THẾ .....................19
BÀI TẬP CHƢƠNG 1......................................................................................................26
CHƢƠNG 2. VẬT DẪN...................................................................................................30
§5. VẬT DẪN CÂN BẰNG TĨNH ĐIỆN .........................................................................30
§6. ĐIỆN DUNG – TỤ ĐIỆN ............................................................................................35
BÀI TẬP CHƢƠNG 2......................................................................................................42
CHƢƠNG 3. ĐIỆN MÔI .................................................................................................44
§7. HIỆN TƢỢNG PHÂN CỰC Ở CHẤT ĐIỆN MÔI.....................................................44
§8. ĐIỆN TRƢỜNG TRONG CHẤT ĐIỆN MÔI.............................................................48
BÀI TẬP CHƢƠNG 3......................................................................................................51
CHƢƠNG 4. DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI.....................................................................52
§9. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ DÒNG ĐIỆN ..........................................................52
§10. ĐỊNH LUẬT OHM ...................................................................................................55
§11. QUY TẮC KIRCHHOFF...........................................................................................61
§12. CÔNG, CÔNG SUẤT CỦA DÒNG ĐIỆN ...............................................................64
BÀI TẬP CHƢƠNG 4......................................................................................................68
CHƢƠNG 5: TỪ TRƢỜNG CỦA DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI.................................69
§13. KHÁI NIỆM TỪ TRƢỜNG VÀ CÁC ĐẠI LƢỢNG ĐẶC TRƢNG ......................69
§14. ĐƢỜNG CẢM ỨNG TỪ - TỪ THÔNG...................................................................71
2
§15. CÁC ĐỊNH LÝ QUAN TRỌNG VỀ TỪ TRƢỜNG. ............................................... 72
§16. LỰC TỪ TÁC DỤNG LÊN DÒNG ĐIỆN ............................................................... 73
BÀI TẬP CHƢƠNG 5 ..................................................................................................... 76
CHƢƠNG 6. CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ............................................................................... 78
§17. CÁC ĐỊNH LUẬT VỀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ ......................................................... 78
§18. MỘT SỐ HIỆN TƢỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ ĐẶC TRƢNG ............................. 80
BÀI TẬP CHƢƠNG 6 ..................................................................................................... 76
CHƢƠNG 7. ĐIỆN TỪ TRƢỜNG................................................................................. 86
§19. HAI LUẬN ĐIỂM CỦA MAXWELL ...................................................................... 86
§20. HỌC THUYẾT MAXWELL VỀ ĐIỆN TỪ TRƢỜNG ........................................... 88
BÀI TẬP CƢƠNG 7......................................................................................................... 91
PHỤ LỤC.......................................................................................................................... 93
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 97
3
CHƢƠNG 1. TRƢỜNG TĨNH ĐIỆN
§1. ĐIỆN TÍCH – ĐỊNH LUẬT COULOMB
1. ĐIỆN TÍCH
1.1. Điện tích của vật nhiễm điện
- Có 2 loại điện tích âm và dƣơng.
- Vật chỉ có thể nhiễm điện âm hoặc dƣơng: Vật có số electron nhiều hơn số
proton thì nhiễm điện âm và ngƣợc lại vật có số electron ít hơn số proton thì nhiễm
điện dƣơng vì electron mang điện tích âm, proton mang điện tích dƣơng và độ lớn điện
tích electron bằng độ lớn điện tích của proton.
- Hai vật nhiễm điện cùng loại thì đẩy nhau, nhiễm điện khác loại thì hút nhau.
- Điện tích của một vật bất kì luôn là bội của “điện tích nguyên tố” (
e
= 1,6.10-19 C)
1.2. Chất dẫn điện, chất cách điện
Về phƣơng diện điện, các chất đƣợc chia làm các dạng sau:
1.2.1. Chất dẫn điện
Có các điện tích (electron, ion) di chuyển tự do. Ví dụ: kim loại, các chất điện phân…
1.2.2. Chất cách điện (điện môi)
Là chất mà không có các điện tích di chuyển tự do.Ví dụ: thuỷ tinh, nhựa, nƣớc tinh
khiết,…
1.2.3. Chất (hợp chất) bán dẫn
Các chất bán dẫn đơn chất là các chất tạo bởi các nguyên tố thuộc phân nhóm
chính nhóm IV trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Có hai loại chất
bán dẫn đơn chất là chất bán dẫn đơn chất tinh khiết và chất bán dẫn đơn chất có pha
tạp chất; Chất bán dẫn có pha tạp chất lại có hai loại là bán dẫn loại n và bán dẫn loại
p. Các chất bán dẫn hợp chất là GaAs, CdTe, ZnS,…nhiều ô xít, sunfua, sêlenua,
telurua…và một số pôlime
4
1.3. Thuyết điện tử và giải thích sự nhiễm điện của vật dẫn
1.3.1. Thuyết điện tử
- Vật chất đƣợc cấu tạo từ các nguyên tử. Nguyên tử gồm một hạt nhân mang điện
tích dƣơng và các electron quay xung quanh. Ở trạng thái thƣờng, nguyên tử trung hoà
điện.
- Khi nguyên tử mất electron, nó mang điện tích dƣơng (ion dƣơng). Khi nguyên
tử nhận electron, nó mang điện tích âm (ion âm)
- Các electron có thể chuyển động tự do từ nguyên tử này sang nguyên tử khác,
từ vật này sang vật khác gây ra sự nhiễm điện của vật.
Thuyết giải thích các hiện tƣợng điện dựa vào sự di chuyển của các electron gọi
là thuyết điện tử.
1.3.2. Ứng dụng thuyết điện tử giải thích một số hiện tượng
- Vật dẫn là kim loại: Trong kim loại, các electron có thể chuyển động tự do
(e dẫn) vì vậy kim loại có tính dẫn điện
- Điện môi : Trong chất điện môi, các electron bị liên kết chặt chẽ với các ion tại
các nút mạng, vì vậy nó không thể chuyển động tự do nên không dẫn điện.
- Nhiễm điện do cọ xát: Giả sử khi cọ xát tấm thuỷ tinh vào lụa, một số electron
từ thuỷ tinh chuyển sang lụa. Kết quả là thanh thuỷ tinh thiếu electron nên mang điện
dƣơng, tấm lụa thừa electron nên mang
điện âm
- Nhiễm điện do tiếp xúc: Giả sử cho
thanh kim loại A chƣa nhiễm điện tiếp xúc
với thanh B (mang điện âm); khi đó một số
electron từ B chuyển sang A làm thanh A tích điện âm (giống B)
A B
Hình 1.1: Nhiễm điện do hƣởng ứng
5
- Nhiễm điện do hƣởng ứng
Thanh kim loại B trung hòa điện đặt gần vật A nhiễm điện âm thì các electron
trong thanh kim loại B bị đẩy ra xa vật A. Do đó đầu thanh kim loại B xa vật A thừa
electron nên nhiễm điện âm, đầu thanh kim loại B gần vật A thiếu electron nên nhiễm
điện dƣơng. Vậy thực chất của sự nhiễm điện do hƣởng ứng là sự phân bố lại điện tích
trong thanh kim loại.
1.4. Định luật bảo toàn điện tích
Trong một hệ cô lập về điện, tổng đại số điện tích của hệ không thay đổi (đƣợc
bảo toàn) : qi = const
2. ĐỊNH LUẬT COULOMB
Điện tích điểm: Là các vật tích điện có kích thƣớc nhỏ hơn rất nhiều so với
khoảng cách giữa chúng (khoảng cách khảo sát)
2.1. Định luật Coulomb trong chân không
Biểu thức: F =
2
1 2
.
r
k q q
Dạng véctơ :
21
12
12
2
12
1 2
12 F
r
r
r
q q
F k
(1.1)
Với
F12
là lực do q1 tác dụng lên q2
F21
là lực do q2 tác dụng lên q1
12
12
r
r
là véctơ đơn vị hƣớng từ q1 tới q2
- Khi q1 .q2 > 0 (hai điện tích cùng dấu):
F12
cùng chiều
12 r
(Lực là đẩy)
- Khi q1 .q2 < 0 (hai điện tích trái dấu):
F12
ngƣợc chiều
12 r
(Lực là hút)
k =
0 4
1
: hằng số điện, trong hệ SI
12 2
0 8,85.10 C/ Nm
, k = 9.109 Nm2
/C2
q1 q2
F12
F21
q1 q2
F12
F21
Hình 1.2: Tƣơng tác giữa
các điện tích điểm
6
2.2. Định luật Coulomb trong môi trƣờng bất kì ()
Độ lớn: F =
2
1 2
0
2
1 2
4
. 1
r
q q
r
k q q
Dạng véctơ :
3 12
12
1 2
0
12 4
1
r
r
q q
F
(1.2)
là hằng số điện môi,
chỉ phụ thuộc môi trƣờng đặt điện tích, hằng số điện môi
không có đơn vị.
Hằng số điện môi cho biết lực tƣơng tác giữa các điện tích đặt trong điện môi đó giảm
bao nhiêu lần so với khi đặt chúng trong chân không.
2.3. Nguyên lý chồng chất lực điện
Khi điện tích
0 q
đặt trong hệ điện tích điểm q1, q2, …, qn.
lực tĩnh điện tác dụng lên q0
là:
F F F F F 1 1 2 n i (1.3)
Với
Fi
là lực tĩnh điện do qi
tác dụng lên điện tích q0.
* Chú ý: Các công thức (1.1), (1.2), (1.3) áp dụng đƣợc khi tính lực tƣơng tác giữa hai
quả cầu tích điện đặt cô lập, trong đó r tính từ khoảng cách giữa tâm hai quả cầu.
2.4. Ứng dụng của sự tƣơng tác giữa các điện tích
- Máy lọc bụi, thiết bị thu gom tro bụi trong ống khói các nhà máy
- Phun sơn tĩnh điện, máy in phun tĩnh điện, máy photocopy
- Bao gói thực phẩm…
7
§2. ĐIỆN TRƢỜNG
1. KHÁI NIỆM ĐIỆN TRƯỜNG
Hai điện tích điểm q1, q2 đặt gần nhau, chúng tƣơng tác điện với nhau. Bản chất
sự tƣơng tác giữa các điện tích là gì?
Nhà bác học ngƣời Anh là Michael Faraday là ngƣời đầu tiên đƣa ra khái niệm
điện trƣờng: “Điện trƣờng là dạng vật chất quanh các hạt mang điện và tác dụng lực
lên các điện tích khác đặt trong nó”.
Với khái niệm điện trƣờng ta có thể hiểu bản chất của sự tƣơng tác giữa hai
điện tích là khi hai điện tích q1, q2 đặt gần nhau, q1 gây ra quanh nó một điện trƣờng,
điện trƣờng đó tác dụng lực
F12
lên q2, đồng thời điện trƣờng do q2 gây ra ở quanh nó
cũng tác dụng lực
F21
lên q1.
2. VÉCTƠ CƯỜNG ĐỘ ĐIỆN TRƯỜNG
Đặt các điện tích điểm q1, q2,…, qn tại cùng một điểm trong điện trƣờng, khi đó
lực tác dụng lên chúng lần lƣợt là
F F Fn
, , ,
1 2
Thí nghiệm chứng tỏ:
E
q
F
q
F
q
F
n
n
2
2
1
1
(1.4)
E
gọi là véctơ cƣờng độ điện trƣờng.
Định nghĩa: Véctơ cƣờng độ điện trƣờng
E
tại một điểm là đại lƣợng đặc trƣng
cho điện trƣờng về phƣơng diện tác dụng lực. Đo bằng lực do điện trƣờng tác dụng lên
một đơn vị điện tích dƣơng (+) đặt tại điểm đó.
Biểu thức:
F
E
q
, khi q = +1(C) thì
E F
Trong hệ SI, đơn vị đo cƣờng độ điện trƣờng là Vôn/met (V/m) hoặc
Newton/Coulomb (N/C).
Đặt điện tích q vào nơi có cƣờng độ điện trƣờng thì điện trƣờng tác dụng lên q
một lực:
F qE
8
Nhận xét: nếu q>0 thì
F E
nếu q<0 thì
F E
Tại các điểm khác nhau,
E
là khác nhau.
3. ĐIỆN TRƯỜNG CỦA MỘT ĐIỆN TÍCH ĐIỂM
r
r
q
E
3
4 0
1
(1.5)
Nhƣ vậy,
E
tại một điểm trong điện trƣờng có:
+ Phƣơng: Đƣờng nối điện tích điểm q và
điểm xét (M)
+ Chiều: hƣớng ra xa q nếu q > 0
hƣớng vào gần q nếu q < 0
+ Độ lớn :
2
0
1
4
r
q
E
r
+ Điểm đặt: tại điểm ta xét (M)
4. ĐIỆN TRƯỜNG DO HỆ ĐIỆN TÍCH GÂY RA
* Với hệ điện tích điểm
Xét điểm M trong hệ điện tích điểm q1, q2,…, qn . Lực tác dụng lên điện tích thử
q0 đặt tại M:
F F F Fn
Fi
1 2
i
i
i
E
q
F
q
F
q
F
E
0 0 0
(1.6) đây là nguyên lí chồng chất điện trƣờng.
* Điện trƣờng gây bởi một vật mang điện (hệ điện tích phân bố liên tục)
+q M
EM
-q
M
EM
Hình 2.1: Vectơ cƣờng độ điện
trƣờng tại một điểm
9
Chia vật thành các yếu tố vi phân dV mang điện tích dq. Khi đó ta coi dV nhƣ
một điện tích điểm mang điện tích
dq.
r
r
dq E dE
vat V
3
4 0
1
(1.7)
- Vật mang điện là một dây dài l,
mang mật độ điện tích dài là
,
(
l
Q
): dq = .dl
Từ (1.7) ta có:
r
r
dl E dE
vat L
3
0
.
4
1
(1.8)
- Vật mang điện là mặt S có mật độ điện tích mặt là
, (
Q
S
)
dq = .dS
Từ (1.7) có:
r
r
dS E dE
vat S
3
0
.
4
1
(1.9)
- Vật mang điện dạng khối có thể tích V, mật độ điện tích khối là
,( )
V
Q
dq = .dV
Từ (1.7) có:
r
r
dV E dE
vat V
3
0
.
4
1
(1.10)
Q >0
r
dE
M
dq
Hình 2.2: Điện trƣờng gây bởi một vật mang điện