Chap 1 electric charge and field

Đây là tuyệt chiêu gì trong các
phim kiếm hiệp dựa trên tiểu
thuyết của Kim Dung?

Cô gái này đã luyện thành
tuyệt chiêu trên?

CHAPTER 1:
ELECTRIC CHARGE AND ELECTRIC FIELD
(ĐIỆN TÍCH VÀ ĐIỆN TRƯỜNG)


Learning goals
By studying this chapter, you will learn:
• The nature of electric charge, and how we know that electric
charge is conserved.
• How objects become electrically charged.
• How to use Coulomb’s law to calculate the electric force between
charges.
• The distinction between electric force and electric field.
• How to calculate the electric field due to a collection of charges.
• How to use the idea of electric field lines to visualize and
interpret electric fields.
• How to calculate the properties of electric dipoles.

3

Chuẩn đầu ra
Sau khi học chương này, sinh viên phải giải thích được:
• Bản chất của điện tích và sự bảo toàn điện tích.
• Các cách nhiễm điện cho các vật.

• Cách sử dụng định luật Coulomb để tính lực điện trường giữa các
điện tích.
• Sự khác nhau giữa lực điện trường và cường độ điện trường.
• Cách tính cường độ điện trường gây ra bởi các vật mang điện.
• Cách sử dụng đường sức điện để mô tả và chứng minh cường độ
điện trường.
• Cách tính toán các đặc trưng của các lưỡng cực điện.

4


Contents
1.1 Electric Charge
1.2 Conductors, Insulators, and Induced Charges
1.3 Coulomb’s Law
1.4 Electric Field and Electric Forces
1.5 Electric-Field Calculations
1.6 Electric Field Lines
1.7 Electric Dipoles
1.8 Motion of a Charged Particle
in a Uniform Electric Field
5

Nội dung
1.1 Điện tích
1.2 Vật dẫn điện, vật cách điện, và điện tích cảm ứng
1.3 Định luật Coulomb
1.4 Điện trường và lực điện trường
1.5 Tính toán cường độ điện trường
1.6 Đường sức điện trường

1.7 Lưỡng cực điện
1.8 Chuyển động của điện tích trong điện trường đều
6


1.1 ELECTRIC CHARGE

- Kinds of charge
- Electric Charge and
the Structure of Matter
- Electric Charge Is Conserved

7

Các loại điện tích
- Thanh thuỷ tinh cọ xát vào lụa
- Thanh cao su, thanh nhựa cọ xát vào lông thú

Sau cọ xát, các thanh tương tác với nhau
→ thanh bị nhiễm điện hay trên thanh có điện tích.
8


Kinds of charge
Benjamin Franklin (1706–1790): these two kinds of charge
negative (−) and positive (+).
- Thanh cao su, nhựa và tấm lụa: negative charge
- Thanh thuỷ tinh và tấm lông thú: positive charge

thanh

nhựa

thanh
thuỷ tinh

Two positive charges or two
negative charges repel each
other. A positive charge and a
negative charge attract each
other.

tấm lụa

tấm
lông thú

“Like charges repel, and
opposite charges attract.”
9

Application of forces between charged bodies
Schematic diagram of the operation of a laser printer.

Bài tập nhóm 1.1: Hãy tìm những ví dụ tương tự về ứng dụng của
hiện tượng tương tác giữa các điện tích và giải thích.
10


Structure of Matter

- Vật chất được cấu tạo từ
các nguyên tử và phân tử
- Các nguyên tử được tạo
thành từ các proton (+),
notron, và electron (-)
- Các proton và notron
được tạo thành các hạt
quark

11

Electric Charge and the Structure of Matter
- The protons and neutrons in an
atom make up a nucleus, ~10 m
- Electrons are surrounding the
nucleus, ~10 m
The individual particles:
- electron: charge: negative (−)
mass:
9.10938215 10
- proton: charge: positive (+)
mass:
1.672621637 10
- neutron: charge: neutral
mass:
1.674927211 10

kg ~9.11

kg ~1.67

kg ~1.67

10

10

10

kg
kg
kg
12


Electric Charge and the Structure of Matter
- The negative charge of the electron has exactly the same
magnitude as the positive charge of the proton.
→ In a neutral atom the number of electrons = the number of
protons in the nucleus.
- The number of protons or electrons in a neutral atom of an
element is called the atomic number of the element.
- Nếu nguyên tử mất electron → ion dương (+).
- Nếu nguyên tử nhận electron → ion âm (−).

13

Electric Charge Is Conserved
Two very important principles:
- First is the principle of conservation of charge:

The algebraic sum of all the electric charges in any closed
system is constant.
→ In any charging process, charge is not created or destroyed; it is
merely transferred from one body to another.
→ Conservation of charge: a universal conservation law

The second important principle:
The magnitude of charge of the electron or proton is a natural
unit of charge.
Every observable amount of electric charge is always an integer
multiple of this basic unit.
→ Charge is quantized.

14


Test Your Understanding
(a) Strictly speaking, does the rubber rod weigh more, less, or the
same after rubbing it with fur?
(b) What about the glass rod after rubbing it with silk?

15

1.2 CONDUCTORS, INSULATORS,
AND INDUCED CHARGES
- Conductors and Insulator
- Ways to charge a body
- Induced charges
- Electric Forces on Uncharged Objects

16


Conductors and Insulator
Nối một quả cầu kim loại và thanh nhựa
nhiễm điện bằng một sợi dây đồng (???)
→ điện tích truyền qua quả cầu (???)
→ The copper wire is called a conductor
of electricity
Thay dây đồng bằng sợi nilon hoặc dây
cao su
→ điện tích không truyền qua quả cầu
→ Nylon thread or rubber band are called
insulators
Conductors permit the easy movement of
charge through them, while insulators do
not.
17

Conductors and Insulator (2)
Most metals are good conductors, while most nonmetals are
insulators.
Within a solid metal such as copper, one or more outer electrons in
each atom become detached and can move freely throughout the
material.
In an insulator there are no, or very few, free electrons, and
electric charge cannot move freely through the material.

Some materials called semiconductors are intermediate in their
properties between good conductors and good insulators.

18


Các cách nhiễm điện cho vật (1)
Có bao nhiêu cách nhiễm điện cho các vật?

- Nhiễm điện do cọ sát

19

Các cách nhiễm điện cho vật (2)

- Nhiễm điện do tiếp xúc

20


Các cách nhiễm điện cho vật (3)
- Nhiễm điện do cảm ứng (induction)

induced charges

21

Electric Forces on Uncharged Objects
Vì sao chiếc lượt sau khi chải tóc (cọ xát vào vải) thì hút được các
mảnh giấy nhỏ?

22

Bài tập nhóm 1.1
Các nhóm hãy đóng một đoạn phim ngắn để nêu hiện tượng các
mẩu giấy vụn bị hút bởi chiếc lượt sau khi chải tóc.
Yêu cầu nội dung phải có trong đoạn phim:
a) Giới thiệu được hiện tượng: các mẩu giấy vụn bị hút bởi chiếc
lượt sau khi chải tóc (một cách trực quan thông qua thí nghiệm)
b) Giải thích được hiện tượng trên (có hình ảnh minh hoạ)
c) Phải có sự tham gia của tất cả các thành viên trong nhóm (có thể
trừ bạn quay phim)
Phương pháp chấm điểm:
- Post đoạn phim lên youtube.com và gửi đường dẫn lên face
nhóm.
- Video của nhóm có lượt xem nhiều nhất 10 điểm, 3 nhóm tiếp
theo: 9 điểm, 3 nhóm tiếp theo: 8 điểm, các nhòm còn lại: 7 điểm
Lưu ý: nhóm có số lượt like ≤ số thành viên nhóm: 5 điểm

23

Electric Forces on Uncharged Objects
The interaction is an induced-charge effect.

24


Application
The electrostatic painting process

Hãy cho ví dụ tương tự.

25

Test Your Understanding
You have two lightweight metal spheres, each hanging from an
insulating nylon thread. One of the spheres has a net negative
charge, while the other sphere has no net charge.
(1) If the spheres are close together but do not touch, will they:
A. attract each other, B. repel each other, or C. exert no force on
each other?
(2) You now allow the two spheres to touch. Once they have
touched, will the two spheres:
A. attract each other, B. repel each other, or C. exert no force on
each other?

26


1.3 COULOMB’S LAW

- Điện tích điểm
- Định luật Coulomb trong chân không
- Định luật Coulomb trong các môi trường

27

Coulomb’s Law
Charles Augustin de Coulomb (1736–1806) studied the interaction
forces of charged particles in detail in 1784.

/>

28


Coulomb’s Law

Điện tích điểm (point charges) là những
điện tích có kích thước nhỏ không đáng kể
so với khoảng cách tác dụng của những
điện tích đó.
Coulomb found that the electric force:
- ~ 1/$
- ~ the product of the two charges
!

∝

Cân Coulomb

# #
$

29

Coulomb’s Law
State: The magnitude of the electric force between two point
charges is directly proportional to the product of the charges and
inversely proportional to the square of the distance between them.
Formula:

!

&!

|# # |
$

(1.1)

# and # :
- the same sign,
the forces are repulsive;
- opposite signs, the
forces are attractive
Vector form of forces (obey Newton’s third law):
# #
(
$̂
−(
&!
(1.2)
$
với $̂ là vector đơn vị hướng từ # đến # , &! là hằng số Coulomb.
Direction:

30


Fundamental Electric Constants
Trong hệ đơn vị SI:
- đơn vị của điện tích: Coulomb (C)

- hằng số Coulomb:
1
m
&!
8.9876 10- N ⋅
~9
4+,
C
với , là hằng số điện môi trong chân không.

10- N ⋅

m
C

(1.3)

Tính giá trị và xác định đơn vị của , ?
1
,
8.8542 10 C /N ⋅ m
4+&!

→Biểu thức (1.1) của định luật Coulomb được viết lại:
*

1 |# # |
4+, $

(1.4)

31

Unit of charge
The most fundamental unit of charge is the magnitude of the
charge of an electron or a proton, which is denoted by 1.

The precise value of 1:
1 1.602176487

10

-

C~1.6

10

-

C

One Coulomb is a large amount of charge.

More typical values of charge range: ~10 - → ~10 2 C.
The practical units of charge:
13C
1nC

10 2 C
10 - C

32


Superposition of Forces

Khi một hệ có nhiều hơn hai điện tích điểm, tổng vector các lực
tác dụng lên điện tích # đang xét:
(

( + (

+ ⋯+ (

(1.5)

33

Problem-Solving Strategy
XÁC ĐỊNH các khái niệm liên quan: Định luật Coulomb mô tả
lực tĩnh điện giữa các điện tích.
THIẾT LẬP bài toán sử dụng các bước sau:
1. Phát hoạ vị trí của điện tích và đặt tên cho chúng.
2. Nếu các điện tích không nằm trên một đường thẳng, thiết lập hệ
toạ độ Oxy.
3. Bài toán yêu cầu tìm lực tĩnh điện tác dụng lên một hoặc nhiều
điện tích. Xác định đó là những lực nào?

34

Problem-Solving Strategy
THỰC HIỆN lời giải như sau:
1. Mỗi điện tích sẽ tác dụng lực tĩnh điện lên điện tích đang quan
tâm, sử dụng Eq. (1.2) để tính độ lớn của lực đó.
2. Dùng độ lớn trên để vẽ giãn đồ vector tổng hợp lực tác dụng lên
điện tích đang quan tâm. Chú ý phương chiều của lực.
3. Sử dụng nguyên lý chồng chất để tính tổng hợp lực.
4. Sử dụng thống nhất đơn vị tính. Trong hệ SI, đơn vị của khoảng
cách là m, của điện tích là C, và của lực là N.
5. Trong trường hợp điện tích phân bố liên tục, sử dụng công thức
tích phân.
6. Khai thác tính đối xứng để đơn giản hoá bài toán.
KIỂM TRA kết quả: kiểm tra kết quả tính số có hợp lý không,
chiều của tổng hợp lực tác dụng có phù hợp không.

35

Áp dụng (1)
1. Tính lực tương tác tĩnh điện giữa proton và electron trong
nguyên tử Hydro. Biết khoảng cách trung bình giữa proton và
electron là $ 5,3 10
m.
(BT cá nhân 1.1)
2. So sánh với lực tương tác hấp dẫn.

ĐS:
!

!

;

8,2

2

10

10

:

-

N

36


Application
Consider three point charges located at the corners of a right
triangle as shown in Figure, where #
#
5.003C,
#
−2.003C, and < 0.10m. Find and draw the resultant
force exerted on # .
(BT cá nhân 1.2)

Ans.: (

−1.04=( + 7.94>( N

37

Áp dụng (2)

Cho hai quả cầu khối lượng
3,0 10 kg, treo bởi
các sợi dây chiều dài ? 0,15 m. Góc lệch @ 5,0 . Tính:
a) độ lớn điện tích trên mỗi quả cầu.
(BT cá nhân 1.3)
b) lực căng dây

Đáp số: a) #

4,42

10

:

C; b) A B C

0,3N

38

1.4 ELECTRIC FIELD AND ELECTRIC FORCES

- Electric Field
- Electric Field of a Point Charge

39

Recall
Example of vector field: Gravitation

(;

Gravitational force:

−D

E
$

$̂ : unit vector from M to m

$̂

$

Gravitational field:
(;
E
F(
−D $̂

$
40


Đặt vấn đề

Hai điện tích đặt trong không gian sẽ tác dụng lực lên nhau dù
chúng không tiếp xúc với nhau.
Làm thế nào để điện tích này biết điện tích kia đang ở gần đó để
mà tác dụng lực?
Khái niệm mới: Điện trường

41

Electric Field
- Điện trường là môi trường bao
quanh vật mang điện, đóng vai trò là
nhân tố trung gian truyền tương tác.
- Tính chất cơ bản của điện trường là
tác dụng lực tĩnh điện lên mọi điện
tích đặt trong nó.
- Điện trường được đặc trưng bởi
vector điện trường G

42


Electric Field

Xét điện tích điểm # và điện tích thử # đặt tại điểm P.

Lực tĩnh điện của # tác dụng lên #
là (! .

Định nghĩa: Điện trường G tại một
điểm chính là tỉ số của lực tĩnh điện
(! tác dụng lên một điện tích # chia
cho điện tích # .
G

(!

#

(1.6)

→ Điện trường G: lực tác dụng lên một đơn vị điện tích

In SI units, the unit of force: 1 N and the unit of charge: 1 C,
→ the unit of electric field magnitude: 1 newton/coulomb (1N/C)

43

Electric Field

Know the field G, the force (! acting on point charge # in the
field:
(! # G
(1.7)
- # H 0, (! and G is the same

direction.
- # I 0, (! and G are in
opposite directions.
Note: there is similar between the concepts of electric field G and
the gravitational field g.

44


Contents
1.1 Electric Charge
1.2 Conductors, Insulators, and Induced Charges
1.3 Coulomb’s Law
1.4 Electric Field and Electric Forces
1.5 Electric-Field Calculations
1.6 Electric Field Lines
1.7 Electric Dipoles
1.8 Motion of a Charged Particle
in a Uniform Electric Field
5

Nội dung
1.1 Điện tích
1.2 Vật dẫn điện, vật cách điện, và điện tích cảm ứng
1.3 Định luật Coulomb
1.4 Điện trường và lực điện trường
1.5 Tính toán cường độ điện trường
1.6 Đường sức điện trường
1.7 Lưỡng cực điện
1.8 Chuyển động của điện tích trong điện trường đều

6


Contents
1.1 Electric Charge
1.2 Conductors, Insulators, and Induced Charges
1.3 Coulomb’s Law
1.4 Electric Field and Electric Forces
1.5 Electric-Field Calculations
1.6 Electric Field Lines
1.7 Electric Dipoles
1.8 Motion of a Charged Particle
in a Uniform Electric Field
5

Nội dung
1.1 Điện tích
1.2 Vật dẫn điện, vật cách điện, và điện tích cảm ứng
1.3 Định luật Coulomb
1.4 Điện trường và lực điện trường
1.5 Tính toán cường độ điện trường
1.6 Đường sức điện trường
1.7 Lưỡng cực điện
1.8 Chuyển động của điện tích trong điện trường đều
6


Ví dụ

Cho quả cầu mang điện tích # đặt

trong điện trường đều G như hình
bên. Dây treo dài L = 20 cm.
Tính độ lớn của #.
(BT cá nhân 1.5)

49

1.5 ELECTRIC-FIELD CALCULATIONS

- The Superposition of Electric Fields
- Problem-Solving Strategy
- Field of a charged line segment
- Field of a ring of charge
- Field of a uniformly charged disk
- Field of two oppositely charged infinite sheets

50