Chương I: ĐIỆN TÍCH. ĐIỆN TRƯỜNG A. ĐIỆN TÍCH I. ĐIỆN TÍCH - TƯƠNG TÁC ĐIỆN - Khi cọ xát hai vật thích hợp thì chỗ bị cọ xát hút được vật nhẹ. Ta nói các vật này: bị nhiễm điện; được tích điện; có chứa điện tích. - Có hai loại điện tích: * điện tích dương (+) (xuất hiện trên thuỷ tinh cọ xát với lụa). * điện tích âm (-) (xuất hiện trên nhựa cọ xát với da thú). - Thực nghiệm cho thấy Các điện tích : cùng loại (cùng dấu) thì ĐẨY NHAU; khác loại (khác dấu) thì HÚT NHAU - Đơn vị điện tích: Cu-lông (coulomb), kí hiệu C. Điện tích của êlectron là điện tích âm và có giá trị nhỏ nhất. Độ lớn là: e = 1,602.10 -19 C (điện tích nguyên tố) Mọi điện tích tạo ra luôn có độ lớn là N.e (một số nguyên lần e). II. SỰ NHIỄM ĐIỆN. Ba cách làm nhiễm điện: cọ xát; tiếp xúc; hưởng ứng. III. ĐỊNH LUẬT CU-LÔNG Lực tương tác giữa hai điện tích điểm q l và q 2 (nằm yên, đặt trong chân không) cách nhau đoạn r có: • phương là đường thẳng nối hai điện tích. • chiều là: chiều lực đẩy nếu q l q 2 > 0 (cùng đầu). chiều lực hút nếu q l q 2 < 0 (trái dấu). • độ lớn: * tỉ lệ thuận với tích các độ lớn của hai điện tích, * tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. 0 1 2 9 2 2 1 12 21 4 2 (F=F =F ; k 9.10 Nm /C ) q q F k r πε = = = (ε 0 = 8,85.10 -12 C 2 /Nm 2 : Hằng số điện) Ghi Chú: a) Điện tích điểm : kích thước các vật chứa điện tích rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng. b) Nếu các điện tích điểm được đặt nằm yên trong một môi trường điện môi đồng tính, vô hạn thì lực tương tác tĩnh điện (lực Cu- lông) giảm đi ε lần so với đặt trong chân không 1 2 2 q q F k r ε = (ε: hằng sẽ điện môi). IV. THUYẾT ÊLECTRON. 1. Cấu tạo của nguyên tử: - Mọi nguyên tử đều gồm có: • hạt nhân ở trung tâm mang điện dương, được tạo bởi: * prôtôn có điện tích +e. * nơtron không mang điện. • các êlectron mang điện âm chuyển động chung quanh. - Số prôtôn bằng số êlectron nên bình thường nguyên tử trung hoà về điện. • Nguyên tử mất èlectron trở thành Iôn dương. • Nguyên tử nhận êlectron trở thành Iôn âm. - Vì khối lượng nhỏ nên các êlectron rất linh động có thể bứt ra khỏi nguyên tử, di chuyển từ vật này sang vật khác gây ra nhiễm điện. • Vật thừa êlectron bị nhiễm điệm âm. • Vật thiếu êlectron bị nhiễm điệm dương. 2. Thuyết êlectron. Thuyết êlectron dựa vào sự tồn tại và chuyển động của các êlectron để giải thích các hiện tượng điện, các tính chất điện. a) Vật (chất) dẫn điện - Vật (chất) cách điện: • Vật (chất) dẫn điện có chứa các điện tích tự do. • Vật (chất) cách điện không chứa các điện tích tự do. b) Nhiễm điện do cọ xát: Ờ những điểm tiếp xúc khi cọ xát các êlectron di chuyển từ vật này sang vật khác (thí dụ từ thuỷ tinh sang lụa). c) Nhiễm điện do tiếp xúc: Các êlectron sẽ di chuyển từ vật này sang vật kia để san sẻ sự thiếu hay thừa êlectron. d) Nhiễm điện do hưởng ứng: Các êlectron của vật dẫn bị đẩy hay hút về một đầu, gây ra sự phân bố lại điện tích. 3. Định luật bảo toàn điện tích Trong một hệ cô lập về điên, tổng đại số các điện tích không đổi. q ∑ = hằng số B. ĐIỆN TRƯỜNG I. ĐIỆN TRƯỜNG 1 1. Khái niệm: Xung quanh điện tích có điện trường. Các điện tích tương tác nhau vì điện tích này nằm trong điện trường của điện tích kia. 2. Tính chất cơ bản của điện trường: Mọi điện tích đặt trong điện trường đều chịu tác dụng của lực điện do điện trường gây ra. II. VECTƠ ĐIỆN TRƯƠNG. - Tác dụng lực của điện trường tại mỗi điểm được đặc trưng bởi vectơ E r gọi là: vectơ điện trường và xác định: F E q = r r q : điện tích thử; F r : lực điện tác dụng lên điện tích thử - Ngược lại nếu E r đã biết, có thể xác định lực điện F r bởi: .F q E = r r ; q > 0 : F r và E r cùng hướng; q < 0 : F r và E r ngược hướng. - Độ lớn của vectơ điện trường có đơn vị là V/m (đọc Vôn/mét) Ghi chú: E r cũng còn gọi là vectơ cường độ điện trường hay đơn giản là điện trường. III. ĐIỆN TRUỞNG CỦA MỘT ĐIỆN TÍCH ĐIỂM. Vectơ điện trường M E r tại điểm M trong chân không (hay không khí) tạo bởi điện tích điểm Q đặt ở O cách M khoảng r có: * Phương là đường thẳng OM. * chiều: - hướng xa điện tích nếu Q > 0 - hướng về điện tích nếu Q < 0 * độ lớn: tính theo công thức: 2 Q E k r = (V/m) Chú ý: Trong môi trường điện môi: 2 Q E k r ε = (ε: hằng sẽ điện môi). IV. NGUYÊN LÍ CHỒNG CHẤT ĐIỆN TRƯƠNG Nếu tại một điểm có nhiều điện trường 1 2 3 , , .E E E r r r do nhiều điện tích điểm q l , q 2 … tạo ra thì điện trường tổng hợp E r của hệ các điện tích tại đó được xác định bởi: 1 2 3 .E E E E = + + + r r r r Kết quả này cũng áp dụng được cho điện tích phân bố coi như do rất nhiều điện tích điểm tạo nên. V. ĐƯỜNG SỨC ĐIỆN. 1. Định nghĩa: Đó là đường có hướng vẽ trong điện trường sao cho hướng của tiếp tuyến tại bất kì điểm nào trên đường này đều trùng với hướng của vectơ điện trường tại điểm đó. Hệ các đường sức điện cho ta biết về sự bố trí các vectơ điện trường trong không gian. 2. Điện phổ - Có thể biểu hiện các đường sức điện nhờ sự sắp xếp của các hạt nhỏ cách điện đặt trong điện trường. Lực điện tác dụng vào mỗi hạt giữ và liên kết các hạt này theo các đoạn của đường sức điện. - Hệ các đường do các hạt cách điện hình thành gọi là điện phổ và cho phép ta suy ra dạng các đường sức điện. 3. Tính chất của đường sức điện • Các đường sức điện hiển thị được sự sắp xếp của vectơ điện trường trong không gian. • Đặc điểm của đường sức điện: - Qua mỗi điểm của điện trường chỉ có 1 đường sức điện. - Ta quy ước định chiều cho các đường sức điện theo chiếu vectơ E r . - Các đường sức điện không khép kín, xuất phát từ điện tích (+) và về đến điện tích (-). - Nơi các đường sức điện thưa: điện trường yếu; Nơi các đường sức điện dày (sát nhau): điện trường mạnh. - Điện trường đều ( E r = kh ng ôi ôđ uuuuuuuuuur ) có các đường sức song song cách đều nhau. 4. Đường sức điện của một số điện trường đơn giản 2 VI. CÔNG CỦA LỰC ĐIỆN TRƯỜNG, ĐIỆN THẾ, HIỆU ĐIỆN THẾ: 1. Công của lực điện tường: - Công của lực điện tác dụng lên một điện tích không phụ thuộc vào dạng đường đi của điện tích mà chỉ phụ thuộc vào vị trí của điểm đầu và điểm cuối của đường đi trong điện trường MN M N A W W = − (W (J): là thế năng tại điểm xét trong điện trường) - Thế năng tại một điểm trong điện trường giữa hai điện tích điểm: . M M Q W q k r = (J) (r M : là khoảng cách từ Q đến M) 2. Điện thế và hiệu điện thế. - Điện thế tại một điểm trong điện trường: A M ∞ : công của lực điện trường làm di chuyển q từ M ra xa ∞) V M = M A q ∞ (V) q: độ lớn điện tích di chuyển.(C). V M : điện thế tại điểm M (V); (V ∞ = 0) - Điện thế tại một điểm do điện tích Q gây ra: M M Q V k r = (V) (V M : có thể có giá trị âm (-), dương (+) phụ thuộc dấu của Q). Do đó: Thế năng của điện tích q đặt trong điện trường của điện tích Q là: . . M M M Q W q k qV r = = - Sự chồng chất điện thế: 1 2 3 4 V V V V V = + + + + … - Hiệu điện thế giữa hai điểm trong điện trường: MN MN M N A U V V q = − = (V) (A MN : công lực điện trường làm q di chuyển từ M đến N) Hay: A MN = q.U MN (Nếu: U MN = 1V; q = e thì A MN = 1eV (electron vôn) = 1,6.10 -19 J) 3. Liện hệ giữa cường độ điện trường và hiệu điện thế: Công thức liên hệ giữa cường độ điện trường và hiệu điện thế trong điện trường đều: MN U E d = (V/m) Vậy : A MN = q.U MN = q.E.d Với d = MN’: là hình chiếu của M, N lên phương của một đường sức bất kỳ. VII. VẬT DẪN VÀ ĐIỆN MÔI TRONG ĐIỆN TRƯỜNG. TỤ ĐIỆN. A. Vật dẫn và điện môi trong điện trường: 3 E ur d M N N' 1. Vật dẫn ở trạng thái cân bằng điện: • Vật là vật có các hạt mang điện tự do. Thông thường đó là các kim loại hay hợp kim có các electron tự do. • Vật dẫn ở trạng thái cân bằng điện nếu các hạt mang điện không chuyển động thành dòng 2. Tính chất • Điện trường bên trong vật dẫn bằng không. • Ở sát bề mặt vật dẫn vectơ điện trường có phương vuông góc với bề mặt. • Điện thế tại mỗi điểm của vật dẫn đều bằng nhau (vật dẫn là vật đẳng thế). • Ờ vật dẫn nhiễm điện, điện tích chỉ phân bố ở mặt ngoài: + điện tích tập trung nhiều (mật độ điện lớn) ở chỗ lồi và mũi nhọn. + điện tích tập trung ít (mật độ điện nhỏ) hầu như không có ở chỗ bằng phẳng hay lõm vào. 3. Điện môi trong điện trường: • Các phân tử điện môi bị phân cực. • Mặt ngoài của điện môi bị nhiễm điện trái dấu (điện tích liên kết) tạo điện trường phụ p E r ngược chiều. • Bên trong điện môi: ( ) trong p trong E E E E E= + < r r r B. TỤ ĐIỆN 1. Tụ điện – Tụ điện phẳng a. Định nghĩa tụ điện: Tụ điện là hệ hai vật dẫn đặt gần nhau nhưng không tiếp xúc với nhau (có điện môi ngăn cách). Hai vật dẫn là hai bản của tụ điện. b. Tụ điệnphẳng: • Tụ điện đơn giản là tụ điện phẳng gồm hai tấm kim loại đặt gần nhau, song song, đối diện. • Nối hai bản của tụ điện với hai cực của nguồn điện, các bản sẽ mang các điện tích trái dấu, bằng nhau về độ lớn. Ta nói tụ điện tích điện (hay nạp điện). Độ lớn các điện tích này được gọi là điện tích của tụ. • Ngược lại nối hai bản của tụ điện đã tích điện bằng dây dẫn, có một dòng điện chạy qua dây và trung hoà hai bản. Ta nói tụ điện phóng điện. 2. Điện dung của tụ điện: a. Định nghĩa Điện dung của tụ điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện và được tính bởi: Q C U = (Q : điện tích của tụ (C); U : hiệu điện thế giữa hai bản (V)) Nếu đã có giá trị của C, có thể tính điện tích của tụ theo công thức: Q = C.U b. Đơn vị: Trong hệ SI, đơn vị điện dung là fara (F). 1 1 1 C F V = F là điện dung hết sức lớn. Ta thường dùng các ước số của F * micrôfara (µF) : 1µF = 10 -6 F * nanôfara (nF) : 1nF = 10 -9 F * picôfara (pF) : 1pF = 10 -12 F c. Điện dung của tụ điện phẳng Điện dung của tụ điện phẳng được tính theo công thức : S : diện tích đối diện của hai bản. (m 2 ) d : khoảng cách (đều) giữa hai bản. (m) ε : hằng số điện môi (không khí : ε = 1). 4 0 ( ) 4 S S C F d kd εε ε π = = 12 2 2 0 1 8,85.10 / 4 C Nm k ε π − = = 3. Ghép tụ điện: a. Ghép song song * U l = U 2 = … = U n = U nguồn * Q b = Q l + Q 2 + … + Q n * C b = C l + C 2 + … + C n b. Ghép nối tiếp * U l + U 2 + … + U n = U nguồn * Q b = Q l = Q 2 = …= Qn * 1 2 1 1 1 1 . b n C C C C = + + + ( Chỉ 2 tụ: 1 2 12 1 2 .C C C C C = + ) 4. Năng lượng của tụ điện (năng lượng điện truờng) Tụ điện đã tích điện có năng lượng. Năng lượng này đo công đã thực hiện để đưa các điện tích tới hai bản. Công thức tính năng lượng W của tụ điện như sau: 2 2 1 1 1 2 2 2 Q W CU QU C = = = (J) Với tụ điện phẳng: Ta có: 0 4 S S C d kd εε ε π = = ; U = E.d nên: 2 8 E W V k ε π = (V = S.d: thể tích của tụ điện) Ta cũng suy ra biểu thức của năng lượng điện trường tính cho 1 đơn vị thể tích điện môi : 2 8 W E V k ε ω π = = (J/m 3 ) 5. Các loại tụ điện – Công dụng: - Ta thường gọi tụ điện theo vật liệu làm điện môi. Ví dụ : tụ không khí; tụ mica ; tụ giấy; tụ sứ ; . . . . Đặc biệt tụ không khí có các bản bán nguyệt xoay chung quanh trục để thay đổi diện tích đối diện (nhờ đó thay đổi điện dung) gọi là tụ xoay, được dùng trong các thiết bị thu sóng vô tuyến. - Tụ điện có nhiều công dụng : • tạo điện trường đều (tụ phẳng). • dùng trong bộ phận thu sóng điện từ. • dùng trong điện xoay chiều (tăng hệ số cos(ϕ). • dùng trong bộ phận vi tính (bàn phím, bộ nhớ, . . . ). • dùng trong thiết bị y khoa (tạo xung điện để kích thích tim). 5 . vào. 3. i n m i trong i n trường: • Các phân tử i n m i bị phân cực. • Mặt ngo i của i n m i bị nhiễm i n tr i dấu ( i n tích liên kết) tạo i n trường. tiếp xúc v i nhau (có i n m i ngăn cách). Hai vật dẫn là hai bản của tụ i n. b. Tụ i nphẳng: • Tụ i n đơn giản là tụ i n phẳng gồm hai tấm kim loại