Bài giảng Tĩnh điện học - Phần I: Lực và điện trường - Đại học Quốc gia TP.HCM

Nội dung text: Bài giảng Tĩnh điện học - Phần I: Lực và điện trường - Đại học Quốc gia TP.HCM

1. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa Nộidung chính Ø PhầnI : Lựcvà điệntrường Ø PhầnII : Thế năng tĩnh điện Ø PhầnIII: Điệndung và tụ điện 1
2. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa PHẦN I: 2
3. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa Nộidung v Điện tích: Ø Kháiniệm, thuộc tính của điện tích Ø Vậtdẫnvà điệnmôi Ø Sự phân cực Ø ĐịnhluậtCoulomb Ø Nguyên lý chồngchất v Điệntrường: Ø Kháiniệm, tínhchất Ø Đườngsứcđiệntrường 3
4. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa Giớithiệu Ø Cuốithế kỉ 18, kháiniệm«điệntích »mới đượchình thànhnhờ hiện tượnghútvà đẩygiữa haivật được cọ xát vàonhau. Lĩnh vựcnàyngàynay đượcgọilà Tĩnh ĐiệnHọc Ø Tuynhiênkháiniệm«điệntích »thường đượcdành nóiriêngchophámphácủaBenjamin Franklin vàogiữa thế kỉ 4
5. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa Cácthuộc tính của điện tích ØØ HHaiai loloạạii đđiiệệnn ttííchch – Điện tích Dương và Âm ØØ ĐĐiiệệnn ttííchch ssơơ ccấấpp ddươươngng nhonhỏ ̉ nhnhấấtt ttồồnn ttạạii ttrroongng ttưự ̣ nhnhiiênên llàà pprroottonon ØØĐĐiiệệnn ttííchch ccơơ bbảảnn âmâm nhonhỏ ̉ nhnhấấtt ttồồnn ttạạii ttrroongng ttưự ̣ nhnhiiênên llàà eellececttrronon ØØNhNhữữngng đđiiệệnn ttííchch ccùùngng ddấấuu ththìì đđẩẩyy nnhhauau,, ngngượượcc ddấấuu ththìì hhúútt nnhhauau 5
6. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa CCùùngng ddấấuu ththìì đđẩẩyy,, ngngượượcc ddấấuu ththìì hhúútt Lựchút Lực đẩy 6
7. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa Cácthuộc tính của điện tích(tt) ØØMMộộtt vvậậtt ssẽẽ nhinhiễễmm đđiiệệnn nnếếuu nhnhưư chchúúngng bbịị mmấấtt hhaayy nhnhậậnn eelleeccttronron ØØ NhNhữữngng pprroottonon kkhhôôngng tthêhể ̉ didi cchhuyuyểểnn ttrroongng kkimim loloạạii ttưừ ̀ nnơơii nnààyy đếđếnn nnơơii khkháácc vvìì chchúúngng chchỉỉ ddaoao đđộộngng nnhohỏ ̉ qquuaanhnh 11 vvịị trtríí côcố ́ đđịịnhnh ((ccáácc nnúútt mmạạngng).). ØØ ĐĐiiệệnn ttííchch lluuônôn bbảảoo totoàànn:: – Điện tích không tự ̣ sinh ra, chúng chỉ chuyển từ ̀ vật này sang vật khác – Những vật thể ̉ trở ̉ nên nhiễm điện vì những điện tích âm được di chuyển từ ̀ nơi này đến nơi khác. 7
8. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa Cácthuộc tính của điện tích(tt) ØØ ĐĐiiệệnn ttííchch bbịị llượượngng ttưử ̉ hohoáá –– ĐĐiiệệnn ttííchch ccủủaa ttấấtt ccảả ccáácc vvậậtt đềđềuu llàà sôsố ́ nnguguyyênên llầầnn đđiiệệnn ttííchch nngguuyyênên tôtố ́ ((ee).). –– CCáácc eelleeccttrroonn ccóó đđiiệệnn ttííchch ––ee –– NhNhữữngng pprroottoonn ccóó đđiiệệnn ttííchch llàà ++ee –– ĐơĐơnn vvịị ccủủaa đđiiệệnn ttííchch ttrroongng hêhệ ̣ SISI llàà CCoouulloommbb ((C)C) §§ ee == 11 66 xx 1010-19 CC 8
9. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa Vậtdẫnvà điệnmôi ØØ VVậậtt ddẫẫnn đđiiệệnn llàà nhnhữữngng kkimim loloạạii ttrroongng đđóó ccáácc eelleeccttronron ccóó tthêhể ̉ ddịịchch cchhuyuyểểnn ttưự ̣ dodo bbênên ttrongrong nnóó –– ĐồĐồngng,, nnhômhôm,, vvààngng llàà nhnhữữngng chchấấtt ddẫẫnn đđiiệệnn ttốốtt –– NNếếuu nhnhưư tata ttííchch đđiiệệnn cchoho vvậậtt ddẫẫnn ttrrênên mmộộtt vvùùngng nnhohỏ ̉ ththìì nnggayay llậậpp ttứứcc chchúúngng ssẽẽ đđượượcc pphhânân bôbố ́ llạạii đđiiệệnn ttííchch ttrrênên totoàànn bôbộ ̣ bêbề ̀ mmặặtt 9
10. Trường Đai họcQuốcGiaTpHCM Đại học BáchKhoa Vậtdẫnvà điệnmôi(tt) ØØ ChChấấtt ccááchch đđiiệệnn llàà nhnhữữngng vvậậtt liliệệuu mmàà đđiiệệnn ttííchch kkhhôngông tthêhể ̉ ddịịchch cchhuyuyểểnn ttưự ̣ dodo ttrroongng chchúúngng –– ThThủủyy ttiinhnh,, ccaaoouuttcchhooucuc vvàà nhnhữữngng vvậậtt liliệệuu nhnhựựaa llàà nhnhữữngng vvíí dudụ ̣ vêvề ̀ chchấấtt ccááchch đđiiệệnn –– KKhihi mmộộtt chchấấtt ccááchch đđiiệệnn đđượượcc nnhihiễễmm đđiiệệnn dodo ccoo xxáátt ththìì chchỉỉ nhnhữữngng vvùùngng ccọọ xxáátt mmớớii nnhihiễễmm đđiiệệnn –– ĐĐiiệệnn ttííchch kkhhôôngng tthêhể ̉ didi cchhuyuyểểnn đđêể ̉ phphânân bôbố ́ llạạii ttrrênên ccáácc vvùùngng khkháácc 10
11. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa Trung hòa điện ØPhần lớncácvật thể tự nhiênthìluôntrunghòavề điện( số electronluônbằngsố proton) Ne = Np ØNhư vậyphầnlớnvậtthể khôngtác dụnglựclêncác vậtthể khác đặtxungquanhnó. ØNhữngnguyêntử màcóNe Np (không trunghoà điện) thì được gọilànhữngion. 11
12. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa Nhiễm điệnchovật Quả cầukim loại Ø Một vật nhiễm điện (thanh) được cho tiếp xúc với một vật khác (quả cầu) § Những electron của thanh có thể ̉ Trước dịch chuyển sang quả cầu. § Khi thanh được lấy ra thì quả cầu sẽ giữ ̃ lại phần điện tích chuyển qua này. § Vật thể ̉ luôn nhiễm điện cùng dấu Sau với vật thể ̉ nhiễm điện cho nó 12
13. Trường Đai họcQuốcGiaTpHCM Đại học BáchKhoa Nhiễm điệnchovật(tt) Ø Chúý rằng: Bề mặttrái đất đượcxemnhư làmột nguồnvôtậnđể giữ điệntích. Vìvậy, nếuta nốimột vậtnhiễm điệnxuống đấtthìvậtđó sẽ trunghoàvề điện § Nếuvậtnhiễm điệndương thì trái đất sẽ cungcấp electron để trunghoà. § Nếuvậtnhiễm điệnâm thì electron trongvật sẽ truyềnxuống đất để trở nêntrung hòa. 13
14. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa Sự phâncực §§ TTrrongong phphầầnn llớớnn nhnhữữngng nngguuyyênên ttưử ̉ hhaayy pphhânân ttưử ̉ ttrrungung hohoàà đđiiệệnn,, ttâmâm ccủủaa chchúúngng ssẽẽ mmaangng đđiiệệnn ddươươngng ccânân bbằằngng vvớớii ccáácc đđiiệệnn ttííchch âmâm §§ TTuyuy nnhhiiênên ttrroongng mmộộtt vvààii trtrườườngng hhợợpp nhnhữữngng vvậậtt nnhihiễễmm đđiiệệnn ththìì ttâmâm đđiiệệnn ttííchch âmâm vvàà ddươươngng ccóó tthêhệ ̣ ccááchch mmộộtt kkhohoảảngng nhonhỏ ̉ nnààoo đđóó §§ ĐĐiiềềuu nnààyy xxảảyy rara kkhihi chchúúngng tata đđặặtt mmộộtt đđiiệệnn ttííchch ddươươngng ggầầnn phphầầnn ttưử ̉ nnààyy hhơơnn ssoo vvớớii nhnhữữngng phphânân ttưử ̉ khkháácc §§ SSưự ̣ pphhânân bôbố ́ đđiiệệnn ttííchch ttrrênên bêbề ̀ mmặặtt kkhhôôngng đềđềuu nhnhưư vvậậyy đđượượcc ggọọii llàà SSưự ̣ pphhânân ccựựcc 14
15. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa Ví dụ về sự phâncực §§ MMộộtt vvậậtt nnhihiễễmm đđiiệệnn ((ởở bbênên trtrááii)) llààmm cchoho nhnhữữngng phphầầnn ttưử ̉ ttrrênên bêbề ̀ mmặặtt bbịị pphhânân ccựựcc §§ MMộộtt cchihiếếcc llượượcc đđượượcc ttííchch đđiiệệnn ccóó tthêhể ̉ hhúútt ccáácc mmẩẩuu gigiấấyy llàà dodo ssưự ̣ pphhânân ccựựcc ccủủaa ccáácc mmẫẫuu gigiấấyy Vật cách điện Vậtmang Hạt tích điện điện do cảm ứng 15
16. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa ĐịnhluậtCoulomb Ø Coulomb đã thựchiệnviêc thử định lượng lựctươngtác tĩnh điệngiữa hai điệntíchvào đầu nhữngnăm1700 Giả thiết: •2 điệntíchkíchthước nhỏ q1 et q2 đặtcáchnhau mộtkhoảngr. •Chúng ta sẽ đo lực F tácdụnglênq1q2. 16
17. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa ĐịnhluậtCoulomb (tt) §§ CCườườngng đđôộ ̣ ccủủaa llựựcc ttươươngng ttáácc đđượượcc cchoho bbởởii bibiểểuu ththứứcc :: q 1 q 2 F = k Đơn vị lực:Newton r 2 §§ kk đđượượcc ggọọii HHằằngng sôsố ́ CCoouulloombmb kk == 88 9999 xx 10109 NN mm2/C/C2 §§ TThhôôngng ththườườngng đđiiệệnn ttííchch mmàà chchúúngng tata ggặặpp chchỉỉ ccóó đđiiệệnn ttííchch ởở bbậậcc µµCC §§ ChChúú ýý llựựcc llàà đđạạii llượượngng vveectctơơ 17
18. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa ĐịnhluậtCoulomb (tt) § Xéthai điệntích điểm đặtcáchnhau một khoảngcách r. § (a) Hai điệntíchcùngdấuthì đẩy nhau. § (b) Hai điệntíchtráidấuthìhútnhau § Lựcdo q2 tác dụnglênq1bằngvề độ lớnvớilựcdo q1 tác dụnglênq2nhưng tráidấu. 18
19. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa ĐịnhluậtCoulomb (tt) Ø Chúý: • Địnhluật Coulomb chỉ đượcápdụngcho điệntích điểm hay hai quả cầu đồng chất. •Lựcđiệnnày, giốngnhư lựchấpdẫn, làmộtlực của“trường” Có nghĩalàlựcnàyxuấthiện ở khoảngcáchxamàkhôngcầncósự tươngtácvật lý(tiếpxúc ). 19
20. Trường Đai họcQuốcGiaTpHCM Đại học BáchKhoa So sánh: lựchấpdẫnvà lực điệngiữa2 phântử F F q1 q2 m1 m2 1 q1q2 F = r 1 elec 4pe r2 0 Felec q1 q2 4pe0 m 1 m 2 ♦ F = m m G F = G grav 1 2 grav r 2 * Lực điệnlớnhơnrấtnhiều so với Vớihaielectron : lựchấpdẫn! -19 F * q = -1,6 . 10 C elec = 4,17 . 10+42 -31 m = 9,1 . 10 kg ♦ Fgrav 20
21. Trường Đai họcQuốcGiaTpHCM Đại học BáchKhoa Bạn đã biếtchưa? CCóó bbaoao nhnhiiêuêu eelleeccttrroonn ttrroongng ccơơ thêthể ̉ ngngườườii ?? TTrrongong ccơơ tthêhể ̉ cconon ngngườườii,, nnướướcc llàà cchuhủ ̉ yyếếuu VaVà ̀ tata ggiaiả ̉ ssưử ̉ rrằằngng ccóó 1010 éélleeccttrronon cchoho 11 pphhânân ttưử ̉ nnướướcc CCóó bbaoao nnhhiiêuêu eelleeccttrroonn cchoho 11gg ngngưườờii ?? 6 ↔ 1023 phântử/mol ↔ 10 e−/phântử = 3.3 ↔ 1023 e−/g 18 g/mol • Như vậycóbaonhiêue trong1 ngườinặng80kg? 3.3 ↔ 1023 e−/g ↔ 80 kg = 2.6 ↔ 1028 e− • Điệntích của1 % số électronnàylàbaonhiêu? 1% ↔ 2.6↔ 1028 e− ↔ 1.6 ↔ 10-19 C/e− = 4.2 ↔ 107 C 21
22. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa Bạn đã biếtchưa? (tt) • Lựctươngtác(lực đẩy) giữahaingườikhibắttaynhauvới mỗibàntay sẽ có1% lượng electron ở trên? 4.2 ↔ 107 C 2 9 2 2 F = ( 9 ↔ 10 N-m /C ) ↔ ( 0.75 m ) F = 2.8 ↔ 1025 N •Chúngtaxem trọnglượng củatrái đấtnhé? 24 2 25 PTerre = 6 ↔ 10 kg ↔ 9.8 m/s PTerre = 5.9 ↔ 10 N Wow, dù bị đẩyvớilựcmạnhbằngnữatrọng lượng Trái đất mà tavẫnbắttaynhau được à 2 taytanâng được Trái đất đấy 22
23. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa Nguyênlý chồngchất § Lựctác dụnglênmộtđiệntíchlà tổngvectơ cáclực thànhphầndo các điệntíchkháctác dụnglên điện tích đó. – Chúý rằng đâylàphépcộngvectơ. 23
24. Trường Đai họcQuốcGiaTpHCM Đại học BáchKhoa Vídụ áp dụngnguyênlýchồngchất § Lựcdo q1 tác dụnglên q3 là F13 § Lựcdo q2 tác dụnglên q3 là F23 § Tổnghợplựctác dụng lên q3 làtổngvectơ của F13 và F23 24
25. Trường Đai họcQuốcGiaTpHCM Đại học BáchKhoa Vídụ áp dụngnguyênlýchồngchất(tt) -9 -9 -9 Nếu q1 = 6.00´10 C, q2 = -2.00´10 C, và q3 = 5.00´10 C tatính đượcF23 F13 : (2 .00 ´ 10 - 9 C )( 5 .00 ´ 10 - 9 C ) F = (8 .99 ´ 10 9 Nm 2 / C 2 ) 23 (4.00 m ) 2 (6.00 ´ 10 - 9 C )( 5 .00 ´ 10 - 9 C ) F = (8 .99 ´ 10 9 Nm 2 / C 2 ) 13 (5.00 m ) 2 - 9 F 23 = 5 .62 ´ 10 N - 8 F13 = 1.08 ´ 10 N 25
26. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa Vídụ áp dụngnguyênlýchồngchất(tt) Như vậylựctác dụnglênq3 o -9 F13 ,x = F13 cos(37 ) = 8.63´10 N o -9 F13 ,y = F13 sin(37 ) = 6.50´10 N -9 F23 ,x = F23 = 5.62´10 N F23 , y = 0 N -9 -9 2 -9 2 -9 Fres = (8.63´10 N -5.62´10 N ) + (6.50´10 N ) = 7.26´10 N Fr res 26
27. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa Điệntrường § Maxwell lànhàvậtlý đưarakháiniệm điệntrường § Điệntrườnglàmộtdạngvậtchấtluôn tạixungquanh hạtmang điện(vậtmang điện). § Khimộtvậtkháctích điện đivàohay được đặttrong điệntrườngnàythìchúng sẽ chịutác dụng củalựcđiện trường. 27
28. Trường Đai họcQuốcGiaTpHCM Đại học BáchKhoa Định nghĩa điệntrường Lực k q q E = F = o q 2 o qor Hướngra xa Điệntíchthử(dương) k q E = r2 Hướngvàog28ần
29. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa Tínhchất điệntrường §§ TrTrườườngng đđiiệệnn ttáácc ddụụngng llựựcc llêênn đđiiệệnn ttíícchh ththửử đđặặcc ttrongrong nnóó §§ TrTrườườngng đđiiệệnn vvẫẫnn ttồồnn ttạạii cchoho ddùù khôngkhông ccònòn đđiiệệnn ttííchch ththưử.̉. §§ NNgguuyyênên lýlý chchồồngng chchấấtt ccũũngng đđượượcc áápp ddụụngng cchoho đđiiệệnn trtrườườngng E = E1+E2+E3+ +En 29
30. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa Biểudiễn điệntrường Cóhaicách để biểudiễn điệntrường Lấyvídụ cho điệntrườngcủađiệntích điểmdương Tậphợpvectơ Tậphợpcác đường + + Điện+ Điện+ 30
31. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa Biểudiễnbằngcácvectơ •Hướng củavectơ chỉ hướng của điệntrường. + •Chiềudài củavectơđặctrưng cho độ lớn củaE 31
32. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa Đườngsức 32
33. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa Đặc điểm của đườngsứcđiệntrường 51))B Cáắtcđđầườutnưgs̀ điứệcnctủícahdmộươthêng̣ cávac̀ kđếitệnthútícch, ở ởđ ikệhon tíảchng cácâhmxa(ho, thiặc̀ giở ốvnôcgựnhc).ư các đườngsứccủamộtđiệntích đ2i)ể Cmóđ tíặnht tạđiốtixâmứngvà .có điện tíchbằngtổng các điện tích tronghệ. 3) Số các đườngsứcđiratừ điệntíchdương(hay đến 6) đViecệntotírc hđiâệmntr) lườà tyn̉ glêẸ thu tạiậ1n đviớểimđ ôsẹ̃ l ớtinếpcủtuya đếinệntạtíich điểấmy.đó với đườngsứcđiqua điểm đó. 74)) CáSố ccáđcườđườngsngsứcứkhcquôngca mắộttmnhauặt.phẳng diện tích đơn vị đặt vuông góc với đườngsứctỷ lệ thuận với cường độ điệntrường ở vùng đó. 33
34. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa Đườngsức(tt) § Mộtcặpđiệntíchtráidấucùng độ lớn gọilàmộtlưỡng cực § Mật độ đườngsứcgiữahai điệntích chỉ điệntrườngtổng hợp củahai điệntíchtrongvùngnày 34
35. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa Vídụ Biểudiễn điệntrường đều bằngnhững đường thẳng songsongcách đều haybằngnhữngvectơ cùngchiều và độ lớnbằngnhau Vectơ Đườngsức 35
36. Đai họcQuốcGiaTpHCM Trường Đại học Báchkhoa Kết thúcPhầnI Nhữngvấnđề quan trọngcầnnắmtrongphần này: q 1 q 2 Ø ĐịnhluậtCoulomb F = k r 2 Ø Nguyên lý chồngchất F E= Ø Điệntrường: q thu q Ek= Điện trường điện tích điểm r 2 36