Tĩnh điện học bài giảng điện tử

Ø Phần I : Lực và điện trườngØ Phần II : Thế năng tĩnh điện Ø Phần III: Điện dung và tụ điện Nội dung chính Đai học Quốc Gia TpHCMTrường Đại học Bách khoa... Nội dungv Điện tích: Ø K

Trang 1

Ø Phần I : Lực và điện trường

Ø Phần II : Thế năng tĩnh điện

Ø Phần III: Điện dung và tụ điện

Nội dung chính

Đai học Quốc Gia TpHCMTrường Đại học Bách khoa

Trang 2

PHẦN I :

Đai học Quốc Gia TpHCM

Trường Đại học Bách khoa

Trang 3

Nội dung

v Điện tích:

Ø Khái niệm, thuộc tính của điện tích

Ø Vật dẫn và điện môi

Ø Đường sức điện trường

Trang 4

Ø Cuối thế kỉ 18, khái niệm « điện tích » mới được hìnhthành nhờ hiện tượng hút và đẩy giữa hai vật được cọ xátvào nhau

Lĩnh vực này ngày nay được gọi là Tĩnh Điện Học

Ø Tuy nhiên khái niệm « điện tích » thường được dànhnói riêng cho phám phá của Benjamin Franklin vào giữa thế kỉ

Giới thiệu

Trang 5

Ø Hai loại điện tích

– Điện tích Dương và Âm

Ø Điện tích sơ cấp dương nhỏ nhất tồn tại trong

tự nhiên là proton

Ø Điện tích cơ bản âm nhỏ nhất tồn tại trong tự

nhiên là electron

Ø Những điện tích cùng dấu thì đẩy nhau, ngược dấu

thì hút nhau

Các thuộc tính của điện tích

Trang 6

Cùng dấu thì đẩy, ngược dấu thì hút

Trang 7

Ø Một vật sẽ nhiễm điện nếu như chúng bị mất

hay nhận electron

Ø Những proton không thể di chuyển trong kim loại

từ nơi này đến nơi khác vì chúng chỉ dao động nhỏ

quanh 1 vị trí cố định (các nút mạng)

Ø Điện tích luôn bảo toàn:

– 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.

Các thuộc tính của điện tích (tt)

Trang 8

Ø Điện tích bị lượng tử hoá

– Điện tích của tất cả các vật đều là số nguyên

lần điện tích nguyên tố (e)

Các thuộc tính của điện tích (tt)

Trang 9

Ø Vật dẫn điện là những kim loại trong đó các

electron có thể dịch chuyển tự do bên trong nó.

– Đồng, nhôm, vàng là những chất dẫn điện tốt

– Nếu như ta tích điện cho vật dẫn trên một vùng nhỏ thì ngay lập tức chúng sẽ được phân bố lại điện tíchtrên toàn bộ bề mặt

Vật dẫn và điện môi

Trang 10

Ø Chất cách điện là những vật liệu mà điện tích khôngthể dịch chuyển tự do trong chúng

– Thủy tinh, caoutchouc và những vật liệu nhựa là

những ví dụ về chất cách điện

– Khi một chất cách điện được nhiễm điện do co xátthì chỉ những vùng cọ xát mới nhiễm điện

– Điện tích không thể di chuyển để phân bố lại trêntrêncác vùng khác

Vật dẫn và điện môi (tt)

Trường Đai học Quốc Gia TpHCM

Đại học Bách Khoa

Trang 11

ØPhần lớn các vật thể tự nhiên thì luôn trung hòa về điện( số electron luôn bằng số proton)

Trung hòa điện

Trang 12

Ø Một vật nhiễm điện (thanh) được

cho tiếp xúc với một vật khác (quả

cầu)

§ Những electron của thanh có thể

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

với vật thể nhiễm điện cho nó

Quả cầu kim loại

Trước

Sau

Nhiễm điện cho vật

Trang 13

Ø Chú ý rằng: Bề mặt trái đất được xem như là một

nguồn vô tận để giữ điện tích Vì vậy, nếu ta nối một

vật nhiễm điện xuống đất thì vật đó sẽ trung hoà về điện

§ Nếu vật nhiễm điện dương thì trái đất sẽ cung cấpelectron để trung hoà

§ Nếu vật nhiễm điện âm thì electron trong vật sẽ

truyền xuống đất để trở nên trung hòa

Nhiễm điện cho vật (tt)

Trang 14

§ Trong phần lớn những nguyên tử hay phân tử trung hoàđiện, tâm của chúng sẽ mang điện dương cân bằng vớicác điện tích âm

§ Tuy nhiên trong một vài trường hợp những vật nhiễmđiện thì tâm điện tích âm và dương có thệ cách một

khoảng nhỏ nào đó

§ Điều này xảy ra khi chúng ta đặt một điện tích dươnggần phần tử này hơn so với những phân tử khác

§ Sự phân bố điện tích trên bề mặt không đều như vậy

được gọi là Sự phân cực

Sự phân cực

Trang 15

§ Một vật nhiễm điện (ở bên trái) làm cho những phần tử trên bề mặt bị phân cực

§ Một chiếc lược được tích điện có thể hút các mẩu giấy là

do sự phân cực của các mẫu giấy

Hạt tích điện

Vật mang điện

Vật cách điện

Ví dụ về sự phân cực

Trang 17

§ Cường độ của lực tương tác được cho bởi biểu thức :

§ k được gọi Hằng số Coulomb

r

q

q k

F = Đơn vị lực :Newton

Định luật Coulomb (tt)

Trang 18

§ (b) Hai điện tích trái dấu thì hút nhau

§ Lực do q2 tác dụng lên q1 bằng về độ

lớn với lực do q1 tác dụng lên q2 nhưng

trái dấu.

Trang 19

Ø Chú ý:

• Định luật Coulomb chỉ được áp dụng cho điện tích điểm hay hai quả cầu đồng chất

• Lực điện này, giống như lực hấp dẫn, là một lực

của “trường”…Có nghĩa là lực này xuất hiện ở

khoảng cách xa mà không cần có sự tương tác vật

lý(tiếp xúc…)

Trang 20

So sánh: lực hấp dẫn và lực điện giữa 2 phân tử

Trang 21

Có bao nhiêu electron trong cơ thể người ?

Trong cơ thể con người, nước là chủ yếu Và ta giả sử rằng

có 10 électron cho 1 phân tử nước

Có bao nhiêu electron cho 1g người ?

• Như vậy có bao nhiêu e trong 1 người nặng 80kg?

• Điện tích của 1 % số électron này là bao nhiêu ?

6 × 10 23 phân tử/mol

18 g/mol × 10 e − /phân tử = 3.3 × 10 23 e − /g

3.3 × 10 23 e − /g × 80 kg = 2.6 × 10 28 e −

1% × 2.6× 10 28 e − × 1.6 × 10 -19 C/e − = 4.2 × 10 7 C

Bạn đã biết chưa ?

Trang 22

• Lực tương tác(lực đẩy) giữa hai người khi bắt tay nhau với

mỗi bàn tay sẽ có 1% lượng electron ở trên ?

• Chúng ta xem trọng lượng của trái đất nhé ?

Wow, dù bị đẩy với lực mạnh bằng nữa trọng

lượng Trái đất mà ta vẫn bắt tay nhau được

à 2 tay ta nâng được Trái đất đấy

F = ( 9 × 10 9 N-m 2 /C 2 ) × ( 4.2 × 10 7 C

0.75 m )2

F = 2.8 × 10 25 N

P Terre = 6 × 10 24 kg × 9.8 m/s 2 P Terre = 5.9 × 10 25 N

Bạn đã biết chưa ? (tt)

Trang 23

§ Lực tác dụng lên một điện tích là tổng vectơ các lực

thành phần do các điện tích khác tác dụng lên điện

Trang 25

Ví dụ áp dụng nguyên lý chồng chất (tt)

N 10

08 1

N 10

62 5

) m 00 5 (

) C 10

00 5 )(

C 10

00 6

( ) C / Nm

10 99

8 (

) m 00 4 (

) C 10

00 5 )(

C 10

00 2

( ) C / Nm

10 99

8 (

8 13

9 23

2

9 9

2 2

9 13

2

9 9

2 2

9 23

Trang 26

Ví dụ áp dụng nguyên lý chồng chất (tt)

N N

N

N N

9 2

9 9

23

9 23

23

9 13

13

9 13

13

10 26

7 10

50 6 10

62 5 10

63 8 0

10 62

5

10 50

6 37

10 63

8 37

( )

.

( F

F

)

sin(

F F

)

cos(

F F

res

Fr

Như vậy lực tác dụng lên q3

Trang 27

Điện trường

§ Maxwell là nhà vật lý đưa ra khái niệm điện trường

§ Điện trường là một dạng vật chất luôn tại xung quanh

hạt mang điện (vật mang điện)

§ Khi một vật khác tích điện đi vào hay được đặt trong

điện trường này thì chúng sẽ chịu tác dụng của lực điệntrường

Trang 28

r o q

o

q q k o

q F E

Trang 30

Biểu diễn điện trường

Có hai cách để biểu diễn điện trường

Lấy ví dụ cho điện trường của điện tích điểm dương

+

Điện +

Tập hợp các đường Tập hợp vectơ

Điện +

+

Trang 31

Biểu diễn bằng các vectơ

• Hướng của vectơ chỉ hướngcủa điện trường

• Chiều dài của vectơ đặc trưngcho độ lớn của E

+

Trang 32

Đường sức

Trang 33

1) Bắt đầu từ điện tích dương và kết thúc ở điện tích

âm (hoặc ở vô cực).

2) Có tính đối xứng

3) Số các đường sức đi ra từ điện tích dương (hay đến điện tích âm) là tỷ lệ thuận với độ lớn của điện tích ấy.

4) Số các đường sức qua một mặt phẳng diện tích đơn

vị đặt vuông góc với đường sức tỷ lệ thuận với cường độ điện trường ở vùng đó.

Đặc điểm của đường sức điện trường

5) Các đường sức của một hệ các điện tích, ở khoảng

cách xa , thì giống như các đường sức của một điện tích điểm đặt tại tâm và có điện tích bằng tổng các điện tích trong hệ.

6) Vector điện trường E tại 1 điểm sẽ tiếp tuyến tại

điểm đó với đường sức đi qua điểm đó.

7) Các đường sức không cắt nhau

Trang 35

Ví dụ

Biểu diễn điện trường đều bằng những đường thẳng

song song cách đều hay bằng những vectơ cùng chiều và

độ lớn bằng nhau

Vectơ Đường sứcĐai học Quốc Gia TpHCMTrường Đại học Bách khoa

Trang 36

q

q k

Điện trường điện tích điểm

Trang 38

Trang 39

Jenifer đang nắm một quả cầu tích điện với điện thế 100.000V Quả cầu điện thế cao này được gọi là máy phát điện Van de

Graaff Nguyên nhân nào làm cho tóc của Jenifer dựng đứng lên như vậy? Tại sao Jenifer vẫn an toàn trong tình huống này trong khi bình thường với điện áp 110V cũng đủ gây chết người?

Trang 41

Các định nghĩa

Điện thế V tại một điểm M được xác định là thương số công để di chuyển một điện tích dương q từ điểm M ra xa vô cùng

q M

A

Công cần thiết để di chuyển một điện tích q đi từ M đến N trong

điện trường bằng qU (U là hiệu điện thế giữa hai điểm MN)

Khi đó hiệu điện thế giữa hai điểm M và N được xác định :

q N M

A N

V M

V MN

Trang 42

Các định nghĩa (tt)

Ø Lực điện trường là một lực thế, có nghĩa là công do điện trường sinh ra không phụ thuộc vào đường đi mà chỉ phụ thuộc vào điểm đầu và điểm cuối.

Ø Công thực hiện bởi một lực bảo toàn giữa hai điểm ab bằng và trái dấu với sự biến thiên thế năng giữa hai điểm đó.

−∫ r r⋅ = b

a E dl

−∫ r ⋅ r

a b

Trang 43

Điện thế của do điện tích điểm gây ra

Điện trường do một điện tích

điểm gây ra là :

2 0

1 ( )

Q

r πε

Trang 44

2 0

14

b

a

r r

Q

dr r

πε

Q

r r πε

Q r πε

V =

Khi đó ta có:

Trang 45

Điện thế của hệ nhiều điện tích

§ Nguyên lý chồng chất cũng được áp dụng

– Điện thế tổng tại một điểm chính là tổng đại số

của tất cả các thế năng gây ra tại điểm đó

§ Chúng ta sử dụng tổng đại số vì thế năng là các đại

lượng đại số có thể âm hay dương

Trang 46

m m

C C

Nm V

V V

m

C C

Nm V

3 2

2 2

6 2

2 9

2

4 1

6 2

2 9

1

10 60

3

) 0 4 ( )

0 3 (

) 10

0 2

( )

/ 10

99 8 (

, 10 12

1

0 4

10 0

.

5 ) /

10 99

8 (

Trang 47

Thế năng điện tích q 0 đặt trong điện

trường do điện tích q gây ra

§ ∆W=W B -W A = -q(VB – VA), không cần thực hiện công

để di chuyển một điện tích giữa hai điểm có cùng điện thế Nghĩa là ∆W = 0 khi VA = VB

§ Tât cả những điểm trên bề mặt vật dẫn nhiễm điện ở

trạng thái cân bằng điện đều có cùng điện thế

§ Do vậy, điện thế trên bề mặt vật dẫn cũng là một hằng

Trang 48

Electron vôn

§ Electron vôn(eV) được định nghĩa là năng lượng

mà 1e hay proton nhận được khi nó được gia tốc

trong điện trường từ điểm A đến B với điện thế tại

B lớn hơn A là 1V

§ 1 V=1 J/C → 1 eV = 1.6 x 10-19 J

Trang 49

Mặt đẳng thế

§ Mặt đẳng thế là mặt mà tất cả mọi điểm đều có

cùng điện thế

– Trên một mặt đẳng thế ta không cần thực hiện

công để dịch chuyển một điện tích với vận tốc

là hằng số

– Điện trường tại mọi điểm trên mặt đẳng thế thì

vuông góc với mặt phẳng này

Trang 51

Xét hai điểm MN có sự chênh lệch điện thế là dV

V(N)>V(M) và ds=MN Khi ta di chuyển một điện q

đi từ M đến N thì ta có thể thiết lập được biểu thức

Tổng quát ta có:

Liên hệ giữa E và V

.

Trang 52

Vật dẫn cân bằng tĩnh điện

§ Khi không còn bất kì chuyển động định hướng của điện tích trong vật dẫn thì vật dẫn được gọi là “Cân bằng tĩnh điện”

§ Một vật dẫn cô lập, cân bằng điện có những tính chất sau:

– Điện trường ở tất cả những điểm bên trong vật dẫn đều bằng 0 – Khi vật bi nhiễm điện, điện tích sẽ tập trung trên bề mặt.

– Điện trường gần ngay bề mặt vật dẫn sẽ vuông góc với bề mặt

Trang 53

Tính chất 1

§ Điện trường của tất cả những điểm bên trong vật dẫn cân bằng điện đều bằng 0 (“Không tồn tại điện thế”)

– Chuyện gì sẽ xảy ra nếu điều này không đúng???

§ Một lực điện sẽ tác dụng lên các điện tích của vật dẫn

§ Những điện tích sẽ dịch chuyển và phá vỡ trạng thái cân bằng

Trang 54

Tính chất 2

§ Tất cả những điện tích đều tập trung trên bề mặt vật dẫn

– Đó là kết quả trực tiếp từ đại lượng 1/r2 giữa hai điện tích xác định trong định luật Coulomb

– Nếu chúng ta có thể đặt điện tích bên trong vật dẫn , những lực đẩy sẽ xuất hiện đẩy những điện tích khác làm phá vỡ kết cấu cân bằng

Trang 55

Tính chất 3

§ Điện trường ở lân cân vật dẫn thì vuông góc vật dẫn

– Nếu như điện trường không vuông góc thì sẽ có thành phần song song với bề mặt vật dẫn

– Điều này chỉ đúng cho các vật ở trạng thái cân bằng điện

Trang 57

Tính chất 4 (tt)

§ Điện tích sẽ phân bố lại cho đến khi đạt trạng thái cân bằng

§ Mật độ điện tích bề mặt là nhỏ nhất ở vị trí phẳng nhất trên bề mặt vật mang điện

Trang 59

V M

V MN

0

14

Q r πε

Trang 60

PHẦN III :

Đại học Quốc Gia TpHCM

Trang 62

Điện dung vật dẫn cô lập là điện tích cần thiết

cung cấp để điện thế vật dẫn tăng lên một vôn

Điện dung của vật dẫn cô lập

Đại học Quốc Gia TpHCMTrường Đại học Bách khoa

Trang 63

Điện dung tụ điện

§ Tụ điện được định nghĩa là một hệ

thống gồm hai hay nhiều vật dẫn

được gọi là các bản của tụ điện đặt

cách điện với nhau

§ Điện dung C của một tụ điện được

định nghĩa là thương số giữa độ lớn

điện tích của các tụ điện và giá trị

tuyệt đối của hiệu điện thế giữa các

bản tụ

Surface = A

Trang 65

tụ là những mặt phẳng song song được

ngăn cách nhau bằng điện môi ở

khoảng cách là d

Trang 66

dz dV

0 0

) (

dz

E

ε σ

d V

V V

V A

B A

Trang 67

1 20

0

21

4

ln

R R C

l C

R R

πεε πεε

=

−

=

Điện dung của tụ cầu và trụ

Trang 68

Tụ điện phẳng 1 Farad

Giả sử tụ điện phẳng có điện dung là 1 Fara với khoảng cách hai bản tụ là d= 1 mm

1 Diện tích mỗi mặt phẳng là bao nhiêu ?

2 Nếu chúng ta cho hiệu điện thế giữa hai bản tụ là 2V, điện tích mà chúng sẽ tích được là bao nhiêu?

Trang 69

Tụ điện phẳng 1 Farad (tt)

Điều này tương ứng với một bản tụ là 10km vuông !!

Khẳng định : Fara là một đơn vị rất lớn

C CV

110

858

10

1

.

,

Trang 70

Năng lượng tụ điện

Ø Tụ điện chứa điện tích

Ø Chúng ta phải thực hiện công để tích điện cho tụ

Ø Công này làm tăng thế năng của bản tụ Như vậy tụ tích trữ năng lượng

Như vậy ta cần thực hiện một công bằng bao nhiêu để tích điện cho tụ?

Trang 71

Năng lượng tụ điện (tt)

Gọi q là điện tích của tụ dưới hiệu điện thế là U

Trang 72

Như vậy công toàn phần sẽ thực hiện là :

C

Q dq

q C

dW W

Năng lượng thế năng được dự trữ cho tụ chính là công mà

ta thực hiện để tích được cho tụ một điện tích là Q

Trang 73

Năng lượng điện trn trường định xứ trong không

gian thể tích V:

.

e V

0

1 2

e

we là mật độ năng lượng điện trường tại một điểm

Định dạng
Số trang	296
Dung lượng	11,57 MB