Tài liệu Điện đại cương pdf

ĐIỆN ĐẠI CƯƠNG
Số đơn vị học trình: 04
Chương 1: TĨNH ĐIỆN HỌC
Mục tiêu:
- Nắm được các khái niệm cơ bản của tĩnh điện học: điện tích, điện trường, điện
thế, vật dẫn, vật cách điện...
- Nắm và vận dụng được các định luật, định lý cơ bản: định luật Coulomb, định
luật bảo toàn điện tích, định lý Gauss...
- Nắm được các tính chất của vật dẫn, điện môi trong điện trường. Nắm chắc các
công thức: xác định điện trường của điện tích điểm, công của lực điện trường,
thế năng của hệ điện tích, điện dung của tụ điện và năng lượng điện trường.
- Nắm được tính chất thế của điện trường tĩnh.
NỘI DUNG KIẾN THỨC

A. Sự nhiễm điện của các vật. Hai loại điện tích.
Vật dẫn và điện môi.
1. Hai loại điện tích
Có hai cách làm cho vật nhiễm điện: Nhiễm điện do cọ
xát, nhiễm điện do tiếp xúc (với vật khác đã được nhiễm
điện).
Có hai loại điện tích: điện tích âm và điện tích dương.
Những vật nhiễm cùng loại điện tích thì đẩy nhau, những
vật nhiễm điện khác loại điện tích thì hút nhau.
2. Chất dẫn điện và chất cách điện
- Chất dẫn điện (vật dẫn): là chất trong đó một số điện tích
có thể di chuyển tương đối dễ dàng.
ví dụ: kim loại, cơ thể người...
+ vật dẫn loại 1: là vật dẫn mà sự dịch chuyển điện tích bên
trong nó không gây ra một sự biến đổi hoá học nào, và
cũng không gây ra được một dịch chuyển nào có thể thấy
được của vật chất bên trong nó. Ví dụ: kim loại...

+ vật dẫn loại 2: sự dịch chuyển điện tích bên trong nó gắn
liền với những biến đổi hoá học, dẫn đến sự giải phóng một
số thành phần vật chất tại chỗ tiếp xúc với các vật dẫn
khác. Ví dụ: dung dịch muối, axit, bazo...
- Chất cách điện (điện môi): là chất trong đó điện tích
không thể dịch chuyển từ chỗ này đến chỗ kia. Ví dụ: thuỷ
tinh, nhựa...
Việc phân chia này chỉ có tính chất tương đối, vì mọi
vật đều ít nhiều dẫn điện. Một vật được xem là cách điện
nếu lượng điện tích di chuyển được trong vật là rất nhỏ so
với lượng điện tích truyền cho vật.
Ngoài ra, có các chất bán dẫn điện (silic, gecmani...) là chất
trung gian giữa các chất dẫn điện và điện môi, và chất siêu
dẫn.
3. Sự nhiễm điện do hưởng ứng.




A B C
- Mô tả thí nghiệm?
- Kết luận?
B. Tương tác giữa các điện tích. Định luật Coulomb.
Định luật bảo toàn điện tích. Thuyết electron.
1. Định luật Coulomb trong chân không. (năm 1785)
- Đây là định luật có tính định lượng đầu tiên về tương tác
điện từ.
- Khái niệm điện tích điểm: vật mang điện có kích thước
nhỏ, không đáng kể so với khoảng cách từ điện tích đó đến
những vật mang điện khác mà ta đang khảo sát.

- Phát biểu: “Lực tương tác giữa hai điện tích điểm, đứng
yên tương đối với nhau, tỉ lệ với tích độ lớn của hai điện
tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa
chúng. Lực tương tác có phương nằm trên đường thẳng
vạch qua hai điện tích, là lực đẩy nếu hai điện tích cùng
loại, là lực hút nếu hai điện tích khác loại.”
- Biểu thức:
2
21
2112
r
qq
kFFF ===

+
- +
12
12
2
12
21
2112
.
r
r
r
qq
kFF
r
rr

=−=
Viết dưới dạng vectơ:
trong đó:
+ k: hệ số tỉ lệ, phụ thuộc vào việc chọn hệ đơn vị.
trong hệ SI: F(N), r(m), q(C),
0
4
1
πε
9
k =
= 9.10 (Nm
2
/C
2
)
ε
0
= 8,86.10
-12
(C
2
/Nm
2
) được gọi là hằng số điện.
+ : vectơ hướng từ điện tích q
12
r
r
1

đến điện tích q
2
.
12
12
r
r
r
: vectơ đơn vị hướng từ điện tích q
+
1
đến điện tích q
2
.
+ : lực điện mà q
12
F
r
1
tác dụng lên q
2
.
Quy ước: điện tích dương nhận giá trị dương, điện tích âm
nhận giá trị âm.
12
F
r
12
r
r

→ nếu q
1
và q
2
cùng loại (q
1
q
2
>0): cùng chiều với
12
F
r
12
r
r
→ nếu q
1
và q
2
khác loại (q
1
q
2
<0): ngược chiều với .
2. Định luật Coulomb trong môi trường.
Bằng thực nghiệm, người ta xác định được rằng, tương
tác tĩnh điện giữa các điện tích đặt trong môi trường vật
chất giảm đi ε lần so với trong môi trường chân không, ε là
một đại lượng không thứ nguyên, lớn hơn 1 và đặc trưng
cho tính chất điện của môi trường, được gọi là hằng số điện

môi (hay độ thẩm điện môi).
12
12
2
12
21
0
2112
.
4
1
r
r
r
qq
FF
r
rr
επε
=−=

+ Biểu thức:
Kết luận:
+ Lực tương tác tĩnh điện tác dụng lên một điện tích là một
đại lượng cộng tính. Nghĩa là:
∑
=
=
n
i

i
FF
1
rr

+ Lực tương tác giữa hai điện tích tỉ lệ nghịch với bình
phương khoảng cách giữa chúng.
3. Định luật bảo toàn điện tích
- Điều kiện áp dụng: hệ cô lập về điện (không có sự trao
đổi điện tích với các vật khác ngoài hệ).
- Phát biểu: “Đối với một hệ cô lập, tổng đại số điện tích
của hệ luôn luôn không thay đổi.”
Σ
q
i
= const.
4. Thuyết electron.
Vật chất được cấu thành từ các hạt rất nhỏ, không thể
phân chia được gọi là các hạt sơ cấp.
Trong tự nhiên, có rất nhiều hạt sơ cấp mang điện. Điện
tích của hạt sơ cấp có giá trị hoàn toàn xác định và là lượng
điện tích nhỏ nhất tồn tại trong tự nhiên, gọi là điện tích
nguyên tố, e = 1,6.10
-19
C.
Điện tích của một vật mang điện bất kì bao giờ cũng là
một số nguyên lần của điện tích nguyên tố: |q| = N.e.
Electron tham gia vào cấu tạo nguyên tử của tất cả các
vật thể. Các vật thể được cấu tạo nên từ các phân tử, các
phân tử được hợp thành từ những nguyên tử. Nguyên tử

của mọi nguyên tố đều cấu tạo từ những hạt nhân và các
electron chuyển động xung quanh hạt nhân.
Electron là hạt sơ cấp có điện tích nguyên tố âm:
- e = -1,6.10
-19
C
Thuyết giải thích tính chất điện khác nhau của các vật thể
dựa trên việc nguyên cứu electron và chuyển động của
chúng gọi là thuyết electron.
C. Điện trường
I. Khái niệm điện trường. Vectơ cường độ điện trường.
1. Khái niệm điện trường.
Trong quá trình phát triển của vật lý học, có hai thuyết đối
lập nhau:
- Thuyết tác dụng xa: tương tác truyền đi một cách tức thời
Æ
không phù hợp với thực nghiệm.
- Thuyết tác dụng gần: không gian bao quanh mỗi điện tích
có tồn tại một dạng vật chất đặc biệt gọi là điện trường.
Tính chất cơ bản của điện trường là tác dụng lực lên mọi
điện tích đặt trong đó. Điện trường của điện tích đứng yên
được gọi là điện trường tĩnh.
2. Vectơ cường độ điện trường.
+ điện tích thử q
0
(+): điện tích đủ nhỏ để không làm thay
đổi điện trường mà ta xét.
- đặt q
0
trong điện trường thì q

0
chịu tác dụng của một lực
0
q
F
r
F
r
. Thực nghiệm cho thấy thương số không phụ thuộc
vào q
0
, mà chỉ phụ thuộc vào vị trí của q
0
trong điện trường.
Tại mỗi điểm xác định trong trong điện trường
0
q
F
E
r
r
=
là
một vectơ xác định. Do đó, người ta dùng vectơ
E
r
để đặc
trưng cho điện trường về phương diện tác dụng lực.
E
r

: được gọi là vectơ cường độ điện trường.

E: được gọi là cường độ điện trường.
FE
rr
=
nếu q
0
= +1C
Æ

Từ đó, ta có định nghĩa: “Vectơ cường độ điện trường
tại một điểm là một đại lượng vectơ có trị bằng lực tác
dụng của điện trường lên một đơn vị điện tích dương đặt
tại điểm đó.”
Trong hệ đơn vị SI: đơn vị của E là V/m.
E
r
Lực tác dụng lên điện tích q đặt trong điện trường
:
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
↑↓⇒<
↑↑⇒>
=
EFq
EFq

EqF
rr
rr
rr
0
0


a. Vectơ cường độ điện trường của một điện tích điểm
- Xét điện tích điểm q đặt trong môi trường có hằng số điện
môi ε. Giả sử tại M ta đặt một điện tích thử q
0
. Theo định
luật Coulomb, lực tác dụng lên q
0
: