[Vật lí 11] Bài tập Tĩnh điện học

Thảo luận trong 'Điện tích, điện trường' bắt đầu bởi muatrongmatem, 22 Tháng bảy 2007.

Lượt xem: 12,864

  1. [TẶNG BẠN] TRỌN BỘ Bí kíp học tốt 08 môn học. Click ngay để nhận!


    Bạn đang TÌM HIỂU về nội dung bên dưới? NẾU CHƯA HIỂU RÕ hãy ĐĂNG NHẬP NGAY để được HỖ TRỢ TỐT NHẤT. Hoàn toàn miễn phí!

    Tĩnh điện học

    Mục lục:


    1. Điện tích - Định luật bảo toàn điện tích

    2. Định luật Culong

    3. Thuyết điện tử

    4. Điện trường

    5. Công của lực điện trường. Điện thế. Hiệu điện thế.

    6. Liên hệ giữa cường độ điện trường và hiệu điện thế.

    7. Vật dẫn và điện môi trong điện trường

    8. Tụ điện

    9. Ghép các tụ điện. Năng lượng điện trường

    Nguồn: Mjss_L0neLy/ forum.olympiavn.org
     
  2. 1. Điện tích - Định luật bảo toàn điện tích

    Sự nhiễm điện của các vật

    Hiện tượng điện đơn giản, mà cũng là hiện tượng được các nhà bác học cổ Hi Lạp biết đến đầu tiên (khỏng thế kỉ VI trước công nguyên), là hổ phách khi cọ xát vào len dạ, thì hút được các vật nhẹ như mẩu giấy, lông chim v.v... Người ta nói rằng khi đó hổ phách đã bị nhiễm điện.

    Ngày nay, ta có thể giải thích được hiện tượng này, và nói rằng trên miếng hổ phách và những mẩu giấy có xuất hiện điện tích. Những điện tích này gây nên sự tương tác điện giữa các vật mang điện.

    Hai loại điện tích

    Căn cứ vào nhiều thí nghiệm với nhiều vật khác nhau ta kết luận rằng: có hai loại điện tích khác nhau gọi là điện tích âm và điện tích dương. Các vật chỉ có thể nhiễm một trong hai loạiđiện tích khác nhau đó.

    Những điện tích cùng dấu đẩy nhau. Những điệnt ích trái dấu hút nhau.

    Chất dẫn điện và chất cách điện

    Chất dẫn điện là chất mà điện tích có thể tự do di chuyển đến khắp mọi điểm của vật làm bằng chất đó. Kim loại, bán dẫn, than chì, các muối và bazơ nóng chảy, các dung dịch muối, axit,bazơ... là những chất dẫn điện.

    Chất cách điện hay điện môi là những chất mà điện tích không di chuyển được từ nơi này sang nơi khác bên trong vật làm bằng chất đó. Không khí khô, thuỷ tính, sứ, êbônit, cao su, hổ phách là những điện môi.

    Tuy vậy sự phân chia ra chất dẫn điện và điện môi chỉ là tương đối, giữa chúng không có ranh giới rõ rệt, vì mọi chất ít nhiều đều dẫn điện.

    Định luật bảo toàn điện tích

    Như vậy mọi quá trình nhiễm điện, về thực chất, đều chỉ là những quá trình tách các điện tích âm và dương, và phân bố lại các điện tích đó trong các vật hoặc trong các phần của một vật.

    Điều đó đưa ta đến kết luận:

    Trong một hệ cô lập về điện, tổng đại số các điệnt ích luôn luôn là một hằng số.

    Đó là nội dung của định luật bảo toàn điện tích

    [tex]\Sigma qi=const[/tex]

    Nguồn: Mjss_L0neLy/ forum.olympiavn.org
     
  3. 2. Định luật Culong

    Định luật Culông.

    Kết quả thực nghiệm được nêu lên thành định luật sau đây gọi là định luật Culông:

    Lực tương tác giữa hai điện tích điểm đứng yên trong chân không tỉ lệ với tích độ lớn của các điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Lực tương tác có phương trùng với đường thẳng nối hai điện tích.

    [​IMG]

    - Điểm đặt: điện tích
    - Phương: đường thẳng nối hai điện tích
    - Chiều: Lực đẩy nếu q[sub]1[/sub].q[sub]2[/sub] > 0
    Lực hút nếu q[sub]1[/sub].q[sub]2[/sub] < 0
    - Độ lớn: tỉ lệ thuận với tích các độ lớn điện tích, tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa các điện tích, tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa các điện tích


    [tex]F =\frac{k}{\epsilon}. \frac{q1.q2}{r2}[/tex]

    (F = F[sub]12[/sub]= F[sub]21[/sub])


    [tex]k= \frac{1}{4\pi \epsilon _0 } = 9.10^ {9}Nm^ {2}C^ {-2}[/tex]
    [tex]\epsilon _0[/tex] hằng số điện

    [tex]\epsilon[/tex]= hằng số điện môi của môi trường [tex](\epsilon \geq 1)[/tex]
    (chân ko: [tex]\epsilon =1[/tex]; Ko khí:[tex]\epsilon \sim 1[/tex])

    Chú ý
    Định luật Culomb chỉ áp dụng được cho:
    - Các điện tích điểm
    - Các điện tích phân bố đều trên những vật dẫn hình cầu(coi như điện tích điểm ở tâm)

    Tương tác của các điện tích đứng yên trong điện môi đồng nhất

    Lực tương tác giữa các vật mang điện phụ thuộc vào môi trường xung quanh chúng. Thí nghiệm chứng tỏ rằng, ở một khoảng cách nhất định, lực tác dụng giữa hai điện tích đặt trong điện môi đồng chất nhỏ hơn lực tác dụng giữa chúng trong chân không e lần (đọc là epxilon). e phụ thuộc vào tính chất của điện môi mà không phụ thuộc vào độ lớn và khoảng cách giữa các điện tích. e được gọi là hằng số điện môi của môi trường, đặct rưng cho tính chất điện của môi trường đó, e là một số thuần tuý, không có đơn vị.

    [​IMG]


    Trong hệ SI, biểu thức của định luật Culông cho lực tương tác giữa hai điện tích điểm đặt trong điện môi đồng chất là.

    [​IMG]

    Nguồn: Mjss_L0neLy/ forum.olympiavn.org
     
  4. 3. Thuyết điện tử

    Nội dung thuyết điện tử

    - Ngầy nay khoa học đã cho ta biết rằng vật chất được tạo nên từ những hạt rất nhỏ, không thể phân chia được thành những hạt nhỏ hơn (trong giới hạn hiểu biết hiện nay của khoa học), gọi là những hạt sơ cấp. Trong tự nhiên có nhiều hạt sơ cấp mang điện. Bằng thực nghệim người ta thấy rằng nếu hạt sơ cấp mang điện thì ta không thể lấy được điên tích của nó đi. Điện tích của các hạt sơ cấp có giá trị hoàn toàn xác định và là điện tích nhỏ nhất tồn tại trong tự nhiên, không thể bị tách thành những lượng nhỏ hơn. Vì thế lượng điện tích ấy được gọi là điệnt ích nguyên tố có độ lớn bằng 1,6.10-19C. Khi một vật mang điện thì điệnt ích của nó bao giờ cũng là một số nguyên lần điện tích nguyên tố.

    - Êlectrôn là hạt sơ cấp cóđiện tích nguyên tố âm. Khối lượng của êlẻctôn là m =9,1.10-31kg.

    Điện tích của êlectrôn là - e = - 1,6.10-19C.

    Êlectrôn có trong mọi chất. Tất cả các chất đều do nguyên tử cấu tạo nên. Mỗi nguyên tử gồm có hạt nhân mang điện đương và những êlectrôn chuyển động xung quanh hạt nhân. Bình thường nguyên tử ở trạng thái trung hoà về điện, vì lúc đó điện tích đương của hạt nhân có trị số bằng giá trị tuyệt đối tổng điện tích âm của các êlectrôn chuyển động xung quanh hạt nhân.

    - Trong một số điều kiện, nguyên tử có thể mất một hay nhiều êlectrôn, lúc đó điện tích dương của hạt nhân lớn hơn tổng điện tích của các êlectrôn còn lại, phần còn lại của nguyên tử tích điện dương và gọi là iôn dương. Nguyên tử cũng có thể nhận thêm êlectrôn ở ngoài, khi đó, nguyên tử trở thành hạt mang điện âm và gọi là iôn âm.

    Như vậy êlectrôn có thể di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác, từ vật này sang vật khác và gây ra nhiều hiện tượng điện.

    Học thuyết căn cứ vào sự chuyển động của các êlectrôn để giải thích tính chất điện củacác vật và các hiện tượng điện gọi là thuyết điện tử.

    Giải thích hiện tượng nhiễm điện do hưởng ứng bằng thuyết điện tử


    Đặt một thanh kim loại B trung hoà về điện trên một giá cách điện. Ta đặt vào gần nó một quả cầuA mang điện dương. Thí nghiệm cho thấy rằng vật B bị nhiễm điện. Đầu của b ở gần a nhiễm điện âm, trài dấu với điệnt ích của A, còn đầu của B ở xa A nhiễm điện dương, cùng dấu với điện tích củaA (H.14.1). Đó là sự nhiễm điện do hưởng ứng được giải thích như sau: Trong thanh kim loại B có các êlectrôn tự do. Khi đặt a lại gần b, điện tích dương cuủaA hút các êlectrôn lại gần nó: kết quả là đầu cuủaB gần A thừa êlectrôn nên mang điện aâ, còn đầu xa a thiếu êlectrôn nên mang điện dượng.

    Khi ta đưa A ra xa, các êlectrôn tự do lại phân bố đều trong b làm cho mọi điểm củavật B đều trung hoà.

    [​IMG]

    Sau này khi nghiên cứu các hiện tượng điện, ta thường nói gọn là “điện tích”, sự chuyển động của điện tích”, khi đó ta hiểu ngầm là “vật (hay hạt) mang điện”, chuyển động của “ hạt mang điện”.


    Nguồn: Mjss_L0neLy/ forum.olympiavn.org
     
  5. 4. Điện trường

    Khái niệm điện trường

    Vật lí học hiện đại đã cho thấy rằng xung quanh điện tích có một môi trường vật chất gọi là điện trường. Một tính chất cơ bản của điện trường là khi có một điện tích đặt trong điện trường thì điện tích đó chịu tác dụng của lực điện. Nhờ có điện trường mà hai điện tích tác dụgn được vào nhau.

    Điện trường là dạng vật chất tồn tại xung quanh điện tích và tác dụng lực điện lên điện tích khác đặt trong nó.

    Cường độ điện trường

    a) Cường độ điện trường: Ta xét những tính chất và đặct rưng của điện trường của một điện tích khi điện tích đó dứng yên. Điện trường như thế gọi là điện trường tĩnh. Để nghiên cứu điện trường ta dựa vào tác đụng của nó lên các điện tích thử.

    [tex]E=\frac{F}{q}[/tex]

    Cường độ điện trường tại một điểm là đại lượng vật lí đặc trưng cho điện trường về phương diện tác dụng lực, được đo bằng thương số của lực điện trường tác dụng lên một điện tích thử đặt tại điểm đó và độ lớn của điện tích thử đó.

    ở những điểm khác nhau cường độ điện trường nói chung có độ lớn, phương, chiều khác nhau. Để cho cụ thể ta sẽ nói: cường độ điện trường do một điện tích gây ra tại một điểm.

    b) Lực tác dụng lên điện tích đặt trong điện trường.

    [tex]\vec{F}=q\vec{E}[/tex] (15.2)

    Nếu q > 0 thì F cùng chiều với E; một điện tích dương lúc đầu đứng yên sẽ di chuyển theo chiều vectơ cường độ điện trường. Còn lực điện tác dụng lên điện tích âm lại có chiều ngược với chiều vectơ cường độ điện trường.

    c) Cường độ điện trường gây bởi một điện tích điểm Q.

    Tại điểm đang xét cách điện tích khoảng r ta đặt một điện tích thử đương q. Theo định luật Culông lực tác dụng lên q là:

    [tex]F=9.10^9 \frac{Qq}{\epsilon r^2}[/tex]



    Do đó cường độ điện trường E gây bởi điện tích Q tại điểm cách nó một khoảng r có độ lớn.

    [tex]E=9.10^9 \frac{|Q|}{\epsilon r^2}[/tex]

    Như vậy cường độ điện trường E gây ra bởi một điện tích điểm Q tại một điểm cách nó một khoảng r là một vectơ đặt tại điểm đó, có độ lớn


    [tex]E=9.10^9 \frac{|Q|}{\epsilon r^2}[/tex]


    Có phương là phương của đường thẳng nối điện tích và điểm đó chiều hưóng ra xa Q nếu Q > 0, hướng về Q < 0 (H.15.1a)

    Kết quả trên đây đúng cho cả vật hình cầu mang điện tích phân bố đều khi ta xét cường độ điện trường tại một điểm ở bên ngoài hình cầu, khi đó r là khoảng cách từ tâm hình cầu đến điểm đó.



    d) Cường độ điện trường do nhiều điện tích điểm gây ra:

    Trong trường hợp có nhiều điện tích điểm [tex]Q_1,Q_2...[/tex] (H.15.1b) thì tại điểm ta xét, chúng gây ra các điện trường có cường độ tương ứng là [tex]E_1,E_2...[/tex] Cường độ điện trường tổng hợp tại điểm đó bằng tổng các vectơ cường độ điện trường do từng điện tích riêng biệt gây ra:

    [tex]\vec{E}=\vec{E_1}+\vec{E_2}+...[/tex] (15.4)

    Đó là nội dung của nguyên lí chồng chất điện trường.

    [​IMG]

    Đường sức của điện trường

    Đường sức của điện trường là đường mà tiếp tuyến với nó tại mỗi điểm trùng với phương của vectơ cường độ điện trường tại điểm đó,chiều của đường sức là chiều của vectơ cường độ điện trường (H.15.2) tại điểm đó.

    [​IMG]

    Vì điện trường có ở tất cả mọi điểm trong không gian bao quanh điện tích, nên qua bất kì điểm nào cũng có thể vẽ được một đường sức.

    Vì tại mỗi điểm cường độ điện trường có hướng và độ lớn xác định, nênqua mỗi điểm chỉ có thể vẽ được một đường sức, hay nói khác đi, các đường sức không cắt nhau.

    [​IMG]

    Vì chiều của đường sức trùng với chiều của vectơ cường độ điện trường, nên các đường sức bắt đầu (đi ra ) từ các điện tích dương, kết thúc (đi vào) ở các điện tích âm. Trong trường hợp chri có các điện tích âm hoặc các điện tích dương thì các đường sức bắt đầu hoặc kết thúc ở vô cực. Như vậy đường sức của điện trường (tĩnh) không khép kín.

    Để cho các đường sức có thể biểu diễn cả độ lớn của cường độ điện trường người ta quy ước vẽ đường sức mau ở nơi cường độ điện trường lớn, đường sức thưa ở nơi cường độ điện trường nhỏ.

    Dạng điện trường đơn giản nhất, thường gặp trong thực tế là điện trường đều. Đó là điện trường mà cường độ của nó có cùng một độ lớn và hướng ở mọi điểm. Đường sức của điện trường đều là những đường thẳng song song cách đều nhau. Một ví dụ thường gặp của điện trường đều là điện trường ở khoảng giữa hai bản phẳng kim loại tích điện bằng nhau và trái dấu, đặt song song với nhau, còn ở gần bờ các bản kim loại, điện trường không đều.

    [​IMG]


    Nguồn: Mjss_L0neLy/ forum.olympiavn.org
     
  6. 5. Công của lực điện trường. Điện thế. Hiệu điện thế.

    Công của lực điện trường

    [​IMG]

    Giả sử điện tích di chuyển theo đường thẳng từ B đến C công của lực điện là.

    [tex]A_{BC}=F.BC.cos\alpha =F.BH=qEd[/tex] (17.1)

    (vì [tex]cos\alpha =d[/tex])



    Xét trường hợp điện tích di chuyển theo đường gãy BDC. Khi đó côngcủa lực điện bằng tổng các công trên đoạn BD và đoạn DC.

    [tex]A_{BDC}=A_{BD}+A_{DC}=F.BD+F.DC.cos \alpha_1=F.BD+F.DH=qEd1+qEd2=qE(d1 + d2)=qE[/tex] (17.2)

    [tex]A_{BMC}=F.BH=qEd[/tex] (17.3)

    Trong đó d là hình chiếu của đường đi trên một đường sức bất kì.

    Kết quả nói trên cho thấy công A[sub]BC[/sub] không phụ thuộc vào đường đi của điện tích q từ B đến C.

    Công của lực điện là di chuyển một điện tích từ điểm này đến điểm khác trong điện trường (tĩnh) tỉ lệ với độ lớn điện tích di chuyển, không phụ thuộc vào hình dạng đường đi, mà chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm đầu và điểm cuối.

    Điện thế. Hiệu điện thế


    [tex]V_B=\frac{A_B_o}{q}[/tex]


    Điện thế tại một điểm ở vô cực thì bằng không.


    [tex]U=\frac{A}{q}[/tex]


    Hiệu điện thế giữa hai điểm trong điện trường là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công của điện trường giữa hai điểm đó và được đo bằng thương số giữa công của lực điện trường làm di chuyển một điện tích dương từ điểm nọ đến điểm kia và độ lớn của điện tích di chuyển.

    Chi có hiệu điện thế mới có giá trị xác định. Giống như thế năng tại một điểm có giá trị tuỳ thuộc vào mốc đã chọn, giá trị điện thế tại mỗi điểm tuỳ thuộc vào cách ta chọn mốc điện thế. Điện thế tại một điểm chính là hiệu điện thế giữa điểm đó và điểm ta lấy làm mốc. Hiệu điện thế giữa hai điểm không phụ thuộc vào cách chọn mốc điện thế.

    Nếu một điện tích dương, ban đầu đứng yêu, chỉ chịu tác dụng của lực điện, thì nó sẽ có xu hướng di chuyển về nơi có điện thế thấp. Ngược lại lực điện có tác dụng làm cho điện tích âm di chuyển về nơi có điện thế cao. Cũng như công, điện thế và hiệu điện thế là những đại lượng vô hướng.

    Đơn vị hiệu điện thế và đo hiệu điện thế

    [​IMG]

    1 vôn (V) = 1 Jun / 1 culông

    Vôn là hiệu điện thế giữa hai điểm mà khi di chuyển điện tích 1 culông từ điểm nọ đến điểm kia công của lực điện thực hiện là 1 jun. Công thức (17.4) chứng tỏ đơn vị điện thế cũng là vôn.

    Để đo hiệu điện thế người ta dùng tĩnh điện kế. Về cấu tạo tĩnh điện kế là một điện nghiệm (x. vật lí 9) được đặt trong một vỏ bằng kim loại. Thay cho hai lá kimloại trong tĩnh điện kế người ta dùng một kim bằng kim loại có thể quay quanh một trục gắn vào một thanh kim loại, thanh kim loại này đặt cách điện với vỏ bởi một nút bằng chất dẻo. Góc lệch của kim được xác định trên một bảng chia độ (H.17.2)

    Khi cần đo hiệu điện thế giữa hai điểm A và B của hai vật, ta nối điểm A với thanh kim loại của tĩnh điện kế và nối điểm B với vỏ kim loại. Khi đó bên trong tĩnh điện kế có một điện trường, cường độ điện trường phụ thuộc vào hiệu điện thế giữa vỏ và kim. Hiệu điện thế càng lớn, cường độ điện trường càng lớn và góc quay của kim càng lớn. Thường thường trên bảng chia độ đã ghi sẵn giá trị của hiệu điện thế theo độ lệch của kim. Khi đó dụng cụ được gọi là vôn kế tĩnh điện.

    Khi cần đo điện thế tại một điểm của một vật ta nối điểm đó với thanh kim loại của tĩnh điện kế, còn vỏ của tĩnh điện kế thì nối đất. Độ lệch của kim cho biết hiệu điện thế giữa điểm đó và đất, tức là điện thế tại điểm đó, so với đất. Thí nghiệm chứng tỏ rằng nếu vật là dẫn điện thì mọi điểm của nó có cùng một điện thế gọi là điện thế của vật dẫn.


    Nguồn: Mjss_L0neLy/ forum.olympiavn.org
     
  7. 6. Liên hệ giữa cường độ điện trường và hiệu điện thế.

    Liên hệ giữa cường độ điện trường và hiệu điện thế

    [​IMG]

    Cường độ điện trường và hiệu điện thế là những đại lượng đặc trưng định lượng cho điện trường. Cường độ điện trường đặc trưng cho điện trường về phương diện tác dụng lực, cònhiệu điện thế đặc trưng cho điện trường về phương diện năng lượng. Do đó giữa cường độ điện trường và hiệu điện thế có mối liên hệ với nhau. Ta hãy xét mối liên hệ đó trong trường hợp điện trường đều.


    [tex]E=\frac{U}{d}[/tex] (19.4)

    Vậy vectơ cường độ điện trường E có chiều hướng từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp

    Đơn vị cường độ điện trường

    [tex]E=\frac{1V}{1m}[/tex]

    Vậy vôn trên mét (V/m) là cường độ của một điện trường đều, mà hiệu điện thế dọc theo mỗi mét đường sức là một vôn.

    Chuyển động của điện tích trong điện trường đều

    [tex]F=eE=e\frac{U}{d}[/tex] (19.5)

    ở đây e là độ lớn điện tích của êlectrôn. Do đó trong khoảng giữa hai bản chuyển động của êlectrôn có thể phân tích thành hai chuyển động thành phần:

    [​IMG]

    - Chuyển động thẳng đều theo phương nằm ngang õ với vận tốc không đổi [tex]v_o[/tex], do đó quãng đường đi được của êlectrôn theo phương nằm ngang là:

    [tex]l=v_ot[/tex] (19.6)


    - Chuyển động nhanh dần đều theo phương thẳng đứng Oy dưới tác đụng của lực điện F và có gia tốc.

    [tex]A= \frac{F}{m}=e\frac{U}{md}[/tex]

    Do đó quãng đường đi được theo phương thẳng đứng của êlectrôn là.

    [tex]H=\frac{at^2}{2}=e\frac{Ut^2}{2md}[/tex]


    ở trên, t là khoảng thời gian êlectrôn bay trong điện trường giữa hai bản. Kết quả là êlectrôn sẽ chuyển động theo một quỹ đạo hình parabol (giống như một vật ném theo phương ngang trong trọng trường.

    Êlectrôn bị lệch theo phương vuông góc với hai bản kim loại và độ lệch của nó tỉ lệ thuận với hiệu điện thế đặt vào hai bản kim loại. Đặc điểm này được ứng dụng trong ống phóng điện tử (x.tiết 43) để làm lệch chùm tia êlectrôn và trong dao động kí điện tử để đo hiệu điện thế.


    Nguồn: Mjss_L0neLy/ forum.olympiavn.org
     
  8. 7. Vật dẫn và điện môi trong điện trường


    Vật dẫn trong điện trường

    Trong các vật dẫn có những hạt mang điện tích có thể chuyển động tự do gọi là điện tích tự do. Trong vật dẫn kim loại đó là các êlectrôn tự do.

    [​IMG]

    ở mọi điểm bên trong vật dẫn cân bằng điện, cường độ điện trường bằng không E = 0. Bởi vì, nếu cường độ điện trường tại một điểm nào đó khác không, điện trường sẽ tác dụng lực lên điện tích tự do và gây ra dòng điện.

    Tại mọi điểm trên mặt vật dẫn cân bằng điện, cường độ điện trường vuông góc với mặt vật dẫn. Bởi vì, nếu vectơ cường độ điện trường không vuông góc với mặt vật dẫn, nó sẽ có một thành phần hướng dọc theo mặt vật gây ra lực làm di chuyển các điện tích tự do.

    Vì tại mọi điểm bên trong vật dẫn cân bằng điện, cường độ điện trường bằng không nên công của lực điện làm di chuyển một điện tích giữa hai điểm bất kì trong vật dẫn đó bằng không. Điều đó có nghĩa là hiệu điện thế giữa haiđiểm bất kì trong vật dẫn đó bằng không và điện thế tại mọi điểm trong vật dẫn đó bằng nhau. Ta nói rằng vật dẫn cân bằng điện là vật đẳng thế.

    Nếu vật dẫn cân bằng điện có mang điện tích thì điện tích chỉ phân bố trên mặt ngoài của vật. Thật vậy nếu ở một điểm nào đó trong vật có một điện tích thừa, nó sẽ gây ra điện trường, do đó gây nên sự di chuyển điện tích.

    Tuy nhiên sự phân bố điện tích ở mặt ngoài vật dẫn là không đều: điện tích tập trung nhiều ở những chỗ lồi nhất của vật. Do đó cường độ điện trường tại các điểm khác nhua trên mặt vật dẫn cùng khác nhau: Cường độ điện trường mạnh nhất ở những chỗ lồi nhọn (H.20.2). Điều đó giải thích hiện tượng “rò điện” ở các mũi nhọn. Hiện tượng “rò điện” được ứng dụng trong việc làm cột chống sét. Trong kĩ thuật người ta tìm các biện pháp chống “rò điện” ở các máy móc và dụng cụ hoạt động ở điện thế cao (các thanh kimloại thường được bịt ở đầu bằng quả cầu kim loại chẳng hạn).

    [​IMG]

    Những tính chất nêu ra ở trên đúng cho vật dẫn ở trạng thái cân bằng điện. Các tính chất đó cũng đúng cho cả vật dẫn rỗng nếu trong phần rỗng không có điện tích.

    Tính chất cả vật dẫn cân bằng điện được áp dụng để làm chắn tĩnh điện. Để bảo vệ các đụng cụ đo lường hoặc máy móc chính xác khỏi chịu ảnh hưởng của điện trường ngoài, người ta đặt chúng vào những hộp bằng kim loại gọi là màn chắn tĩnh điện. Trong nhiều trường hợp thực tế màn chắn tĩnh điện chỉ cần là một cái lưới kim loại, không cần phải kín.

    Điện môi trong điện trường

    [​IMG]

    Khác với vật dẫn, trong điện môi hầu như không có điện tích tự do. Mọi êlectrôn đều liên kết chặt chẽ với nguyên tử. Tuy vậy, do điện môi được cấu tạo bởi các hạt mang điện (êlectrôn và hạt nhân) nên nó cũng có những tính chất điện xác định. Một biểu hiện rõ mà ta đã biết là: lực tương tác giữa hai điện tích điểm đặt trong điện môi giảm đi e lần so với trong chân không. Đó là vì dưới tác dụng của điện trường do các điện tích đó gây ra, trong điện môi có những biến đổi,làm xuất hiện một cường độ điện trường ngược chiều làm giảm cường độ điện trường của các điện tích đó. Nếu xét một khối điện môi đặt trong điện trường (điện trường giữa hai tấm kim loại tích điện trái dấu chẳng hạn (H.20.3)) ta thấy rằng nó vẫn trunghoà điện nhưng ở hai mặt điện môi vuông góc với phương cường độ điện trường có xuất hiện những điện tích trái dấu không thể tách riêng ra gọi là điện tích liên kết. Hiện tượng đó gọi là sự phân cực điện môi.

    Sự phân cực ở các loại điện môi khác nhau xảy ra khác nhau, do đó hằng số điện môi cũng khác nhau.


    Nguồn: Mjss_L0neLy/ forum.olympiavn.org
     
  9. 8. Tụ điện

    Tụ điện

    [​IMG]

    Một hệ thống gồm hai vật dẫn đặt gần nhau và cách điện với nhau tạo thành một tụ điện. Hai vật dẫn gọi là hai bản tụ điện.

    Tụ điện đơn giản và hay gặp là tụ điển phẳng trong đó hai bản là hai tấm kim loại phẳng có kích thước lớn so với khoảng cách giữa chúng, đặt song song đối diện nhau, cách điện với nhau. Giữa hia bản có thể là chân không, không khí hoặc một điện môi nào đó.

    Nếu ta nối hai bản tụ điện vào các cực của một nguồn điện (pin, máy phát điện ...) thì tụ điện được tích điện. Do tác dụng của nguồn điện êlectrôn sẽ đi đến một bản, làm cho nó tích điện âm; còn bản kia mất bớt êlectrôn, tích điện dương (H.21.1). Điện tích của hai bản trái dấu và bằng nhau về độ lớn. Ta gọi độ lớn của điện tích trên bản tích điện dương là điện tích của tụ điện.

    Vì hai bản tụ điện đặt gần nhau nên đường sức xuất phát từ bản này đều kết thúc ở bản kia.

    Điện dung của tụ điện

    Điện dung của tụ điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện và được đo bằng thương số của điện tích của tụ điện và hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện.

    [tex]C= \frac{Q}{U}[/tex] (21.1)

    Fara là điện dung của một tụ điện có điện tích là 1 culông khi hiệu điện thế giữa hai bản là 1 vôn.

    Trong thực tế các tụ điện thường có điện dung nhỏ hơn fara rất nhiều, do đó người ta hay dùng ước của fara:

    1 micrôfara ([tex]\mu.F[/tex]) = 10-6F

    1 picôfara (pF) = 10-12F = 10-6 [tex]\mu.F[/tex]

    Điện dung của tụ điện phẳng

    [​IMG]

    Điện dung của tụ điện phẳng tỉ lệ với phần điệnt ích đối diện nhau của hai bản, với hằng số điện môi của điện môi giữa hai bản và tỉ lệ nghiẹch với khoảng cách hai bản (H.21.3)

    Công thức điện dung của tụ điện phẳng trong hệ SI là:

    [tex]C=\frac{\epsilon.S}{9.10^9.4\pi.d}[/tex] (21.2)

    Trong đó S là diện tích một bản (phần đối diện với bản kia), d là khoảng cách giữa hai bản, [tex]\epsilon[/tex] là hằng số điện môi của lớp điện môi giữa hai bản.

    Theo công thức (21.2) muốn tăng điện dung của tụ điện ta có thể diện tích S, chọn điện môi có hằng số điện môi e lớn và giảm d. Nhưng ta không thể giảm khoảng cách d đến mức cường độ điện trường trong tụ điện trở thành quá lớn (vì [tex]E=\frac{U}{d}[/tex]) làm hỏng điện môi (điện môi bị đánh thủng). Vì vậy mỗi tụ điện (có d nhất định) có một giá trị hiệu điện thế tối đa mà nó chịu đựng được, gọi là hiệu điện thế giới hạn và khi sử dụng ta không đượcmắc tụ điện vào hiệu điện thế lớn hơn hiệu điện thế giới hạn đó.

    Các loại tụ điện

    - Chai Lâyđen là tụ điện cổ nhất. Nó gồm một chai thuỷ tinh dùng làm điện môi,mặt trong và mặt ngoài có dán hai lá nhôm hoặc thiếc dùng làm hai bản. Chai Lâyđen hay được dùng trong các thí nghiệm về tĩnh điện.

    [​IMG]

    - Tụ điện giấy có hai bản là các lá nhôm hoặc thiếc, ở giữa có lớp giấy cách điện (tẩm parafin) làm điện môi. Để giảm kích thước của tụ điện người ta cuộn các lớp đó lại.

    - Tụ điện mica có các bản làm bằng nhôm, thiếc; điện môi là mica. Tụ điện mica thường có hiệu điện thế giới hạn cao, tới hàng nghìn vôn.

    - Tụ điện sứ có điện môi làm bằng sứ đặc biệt, thường có hằng số điện môilớn. Do đó tụ điện có điện dung tương đối lớn với kích thước khá nhỏ.

    [​IMG]

    - Tụ điện hoá học có các bản là những lá nhôm điện môi là lớp ôxit nhôm rất mỏng được tạo nên bằng phương pháp điện phân. Vì thế điện dung của tụ điện hoá học có thể khá lớn (hàng chục mF) với kích thước tụ điện tương đối nhỏ. Cần đề phòng trường hợp tụ điện bị hỏng khi ta mắc nhầm cực của nó vào mạch điện.

    [​IMG]

    - Tụ điện có điện dung thay đổi gồm hai hệ thống là kim loại đặt cách điện với nhau: một hệ cố định, một hệ có thể xoay quanh một trục. Điện dung của tụ điện càng lớn khi phần điện tích đối diện của hai hệ càng lớn. Điện dung lớn nhất của tụ điện loại này thường không quá vài nghin picôfara. Điện môi của tụ điện loại này thường là không khí, cũng có khi là những lá cách điện bằng chất dẻo, hoặc là dầu cách điện. Tụ điện loại này được dùng rộng rãi trong vô tuyến điện.

    [​IMG]


    Nguồn: Mjss_L0neLy/ forum.olympiavn.org
     
  10. 9. Ghép các tụ điện. Năng lượng điện trường

    Ghép tụ điện

    Ghép song song.

    [​IMG]

    Trong cách ghép này (H.22.1) các tụ điện được mắc vào cùng một hiệu điện thế U. Nếu C[sub]1[/sub], C[sub]2[/sub]... C[sub]n[/sub] là điện dung của các tụ điện thì điện tích của chúng là [tex]Q_1=C_1.U[/tex], [tex]Q_2=C_2U[/tex]..., [tex]Q_n=C_nU[/tex]. Điện tích của cả bộ tụ điện là:

    [tex]Q_b=Q_1+Q_2+...+Q_n=(C_1+....+C_n)U[/tex]


    Điện dung tương đương của bộ tụ điện là C[sub]b[/sub], sao cho [tex]Q_b=C_bU[/tex].

    Do đó [tex]C_b+C_1+C_2+...+C_n[/tex] (22.1)

    Cách ghép song song cho phép ta tạo ra được bộ tụ điện có điện dung lớn.

    Ghép nối tiếp.

    [​IMG]

    Trong cách ghép này các tụ điện C[sub]1[/sub], C[sub]2[/sub], C[sub]3[/sub]... được mắc như hình vẽ (H.22.2) bản thứ hai của tụ điện C[sub]1[/sub] nối với bản thứ nhất của tụ điện C[sub]2[/sub], bản thứ hai của tụ điện C[sub]2[/sub] nối với bản thứ nhất của tụ điện C[sub]3[/sub] v.v... Còn bản thứ nhất của tụ điện C[sub]1[/sub] và bản thứ hai của tụ điện cuối thì nối với cực dương và cực âm của nguồn điện. Nếu trước khi ghép với nhau các tụ điện chưa tích điện, thì dựa vào định luật bảo toàn điện tích có thể chứng minh các tụ điện có điện tích Q như nhau. Nếu điện dung của các tụ điện là C[sub]1[/sub], C[sub]2[/sub]... C[sub]n[/sub] thì hiệu điện thế trên các tụ điện lần lượt là:

    [tex]U_1=\frac{Q}{C_1}[/tex] ;..... [tex]U_n=\frac{Q}{C_­n}[/tex]

    Hiệu điện thế ở hai đầu bộ tụ điện bằng tổng các hiệu điện thế của các tụ điện.

    [tex]U_b=Q.(\frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_2}+...+\frac{1}{C_n})[/tex]


    Điện dung tương đương của bộ tụ điện là [tex]C_b[/tex], sao cho.

    [tex]U_b= \frac{Q}{C_b}[/tex]


    [tex]\frac{1}{C_b}=\frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_2}+...+\frac{1}{C_n}[/tex]

    Như vậy điện dung của bộ tụ điện nhỏ hơn điện dung của mỗi tụ điện. Tuy nhiên cách ghép này có lợi là mỗi tụ điện trong bộ chịu hiệu điện thế nhỏ hơn hiệu điện thế của bộ tụ điện. Do đó người ta dùng cách ghép này khi cần có một bộ tụ điện chịu được hiệu điện thế giới hạn cao.

    Năng lượng điện trường

    Khi ta tích điện cho tụ điện, nguồn điện đã thực hiện công để đưa điệnt ích đến các bản tụ điện. Theo định luật bảo toàn năng lượng, công này bằng năng lượng được dự trữ trong tụ điện. Khi ta lại nối hai bản của tụ điện đã tích điện bằng một dây dẫn, tụ điện sẽ phóng điện; trong dây dẫn có một dòng điện, làm toả nhiệt trên dây dẫn. Khi tụ điện phóng điện, nó đã giải phóng năng lượng mà nó dự trữ khi được tích điện. Ta hãy tính năng lượng của tụ điện. Muốn vậy ta chỉ cần tính côngmà nguồn điện đã thực hiện để đưa điện tích đến các bản. Lúc đầu điện tích trên các bản bằng không và hiệu điện thế giữa hai bản cũng bằng không. Khi tụ điện tích điện đến hiệu điện thế U, điện tích của tụ điện bằng Q. Trong quá trình tích điện đó điện tích của tụ điện tăng dần và hiệu điện thế cũng tăng dần nhưng luôn luôn tỉ lệ với điện tích. Giá trị trung bình của hiệu điện thế trong quá trình tích điện là U/2. Do đó công thực hiện để đưa điện tích Q đến các bản tụ điện là.


    [tex]A=\frac{QU}{2}[/tex]

    Công này biến thành năng lượng U của tụ điện.


    [tex]W=\frac{QU}{2}=\frac{Q^2}{2C}[/tex] (22.3)

    Tụ điện đã tích điện có dự trữ một năng lượng W. Trong khoảng không gian giữa hai bản tụ điện có điện trường. Người ta đã đi đến kết luận năng lượng W chính là năng lượng của điện trường bên trong tụ điện.

    Để cho cụ thể ta hãy tính năng lượng W của điện trường đều trong tụ điện phẳng. Thay vào công thức (22.3).

    [tex]C=\frac{\epsilon.S}{9.10^9.4\pi.d}[/tex]

    Với V + Sd là thể tích không gian có điện trường E giữa hai bản tụ điện. Ta thấy năng lượng của điện trường đều tỉ lệ với thể tích không gian có điện trường.


    Nguồn: Mjss_L0neLy/ forum.olympiavn.org
     
  11. fav_tn94

    fav_tn94 Guest

    thanks bạn nhiều, rất hay:), những cái này khiến mình hiểu sâu sắc bài học hơn, hì, cố gắng post thêm phần Dòng điện trong các môi trường nha bạn
     
Chú ý: Trả lời bài viết tuân thủ NỘI QUY. Xin cảm ơn!

Draft saved Draft deleted

CHIA SẺ TRANG NÀY