Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Trangggyhh
Mở đầu .
Nội dung.
Phần 1: Vật dẫn trong điện trường.
Điều kiện cân bằng tĩnh điện. Tính chất của vật dẫn mang điện .
Hiện tượng hưởng ứng tĩnh điện .
Điện dung –tụ điện .
Năng lượng điện trường .
Phương pháp ảnh điện .
Phần 2: ứng dụng
Dạng 1: Bài tập liên quan đến quả cầu dẫn điện (quả cầu kim loại)
Dạng 2: Bài tập áp dụng nguyên lí chồng chất
Dạng 3: Bài tập áp dụng định lí O –G .
Dạng 4: Bài tập áp dụng phương pháp ảnh điện .
Dạng 5: Bài tập liên quan đến tụ điện .
53 trang |
Chia sẻ: maiphuongdc | Lượt xem: 5727 | Lượt tải: 2
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Khóa luận Vật dẫn trong điện trường và ứng dụng, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
phần các đường sức của vật A đi ra vô
cùng. Đây là hiện tượng hưởng ứng tĩnh điện một phần. áp dụng định lí về các
phần tử tương ứng cho tập hợp các đường sức điện trường xuất phất từ A và
tận cùng trên BC ta có: | q’ | < | q |
-Kết luận: Trong hiện tượng hưởng ứng tĩnh điện một phần, độ lớn của điện
tích hưởng ứng nhỏ hơn độ lớn của điện tích trên vật mang điện.
b. Hiện tượng hưởng ứng tĩnh điện toàn phần.
Hình 7: Hiện tượng hưởng ứng tĩnh điện toàn phần.
-Trong trường hợp vật BC bao bọc kín vật mang điện A thì tất cả các đường
sức xuất phát từ A đều điểm tận cùng trên vật dẫn BC. Đó chính là hưởng ứng
tĩnh điện toàn phần. Trong trường hợp này áp dụng định lí các phần tử tương
ứng ta có: | q | = | q’ |
Kết luận: Trong hiện tượng hưởng ứng tĩnh điện toàn phần, điện tích hưởng
ứng về độ lớn bằng điện tích của vật mang điện.
1.3. Điện dung – tụ điện.
14 | P a g e
1.3.1: Điện dung của vật dẫn cô lập.
-Một vật dẫn gọi là cô lập điện (gọi tắt là cô lập) nếu nó không chịu ảnh
hưởng điện của các vật mang điện khác. Nghĩa là các vật mang điện khác
không gây ảnh hưởnggì đến sự phân bố điện tích trên vật dẫn đang xét. Giả sử
một vật cô lập trung hoà điện, ta tích cho nó điện tích q, điện tích này sẽ phân
bố ở ngoài mặt vật dẫn sao cho điện trường bên trong vật dẫn bằng 0. Vật dẫn
khi đó là một vật đẳng thế với điện thế bằng V. Thực nghiệm chứng tỏ nếu
tăng thêm điện tích q cho vật dẫn thì điện thế V cũng tăng, nhưng tỉ số
V
q luôn
không đổi và bằng hằng số C nào đó gọi là điện dung của vật dẫn cô lập.
C
V
q
VCq .
- Nếu V = 1 đơn vị điện thế thì C = q.
Điện dung của một vật dẫn cô lập là một đại lượng vật lí về giá trị bằng
giá trị của điện tích mà vật dẫn tích được khi điện thế của nó bằng 1 đơn vị
điện thế.
- Ta nhận thấy rằng, với cùng 1 điện thế V, vật nào có điện dung C lớn thì vật
đó sẽ tích được một điện thế lớn hơn. Vậy điện dung của vật dẫn là đại lượng
đặc trưng cho khả năng tích điện của vật dẫn đó. Trong hệ đơn vị SI điện
dung được tích bằng fara (F).
V
CF
1
11
-Người ta thường dùng các đơn vị là ước của fara là: microfara ( F),
nanoafara (nF) , picofara (pF).
1 F = 10-6 F , 1 nF = 10-9 F , 1 pF = 10-12 F
Tính điện dung của quả cầu kim loại bán kính R đặt trong môi trường đồng
nhất có hằng số điện môi .
15 | P a g e
V
qC
q và V là điện tích và điện thế của quả cầu.
-Vì quả cầu là vật dẫn nên điện thế tại mọi điểm của quả cầu là như nhau và
bằng điện thế do điện tích Q coi như đặt tại tâm quả cầu gây ra tại điểm cách
tâm một khoảng bằng bán kính R.
R
qV
o4
R
V
qC o4
Nếu ta đặt quả cầu trong chân không thì:
RC o4
1.3.2: Tụ điện - điện dung của tụ điện
a. Tụ điện.
-Định nghĩa: Tụ điện là một hệ thống gồm hai vật dẫn tích điện đều trái dấu
giữa chúng xảy ra hiện tượng hưởng ứng tĩnh điện toàn phần.
-Tụ điện đơn giản nhất là tụ điện hình cầu, gồm hai quả cầu kim loại đồng
tâm. Hai mặt phẳng dẫn điện đặt song song cũng có thể coi là tụ điện (tụ điện
phẳng), nếu khoảng cách giữa chúng là nhỏ so với kích thước của chúng. Hai
hình trụ dẫn điện đồng trục cũng có thể coi là tụ điện (tụ điện hình trụ) nếu
chiều dài của chúng lớn so với khoảng cách giữa chúng. Hai vật dẫn tạo nên
tụ điện được gọi là các bản của tụ điện.
-Vì các đường sức bắt đầu từ một bản và tận cùng ở bản kia của tụ điện nên
điện tích ở trên hai bản là bằng nhau về trị số và khác dấu. Để tích điện cho tụ
có nhiều cách: ta nối hai bản của tụ điện với hai cực của nguồn điện, bản
dương nối với cực dương, bản âm nối với cực âm của nguồn điện hoặc nối
một bản của tụ với nguồn điện không đổi và bản kia nối đất.
-Giả sử ở một trạng thái nào đó của tụ điện, giá trị tuyệt đối của điện tích trên
các bản là q, hiệu điện thế giữa hai bản là: U = V1 – V2 . Ta xét một trạng thái
16 | P a g e
khác của tụ điện trong đó q’= nq và hiệu điện thế giữa hai bản cũng biến đổi n
lần: V1’ – V2’ = n ( V1 – V2 )
C
VV
q
VV
q
2121 ''
'
C là điện dung của tụ điện
Từ:.
21 VV
qC
. Nếu V1 – V2 = 1 C = q
-Kết luận: Điện dung của tụ điện có giá trị bằng điện tích trên các bản khi
hiệu điện thế giữa hai bản bằng một đơn vị điện thế.
-Trong hệ SI, đơn vị điện dung là 1 fara (
V
CF
1
11 )
-Điện dung của một tụ điện phụ thuộc vào hình dạng, kích thước và vị trí
tương đối của các bản và vào môi trường ở giữa hai bản. Khi giữa hai bản có
chất điện môi, điện dung của tụ điện lớn hơn khi giữa hai bản là chân không.
Nếu chất điện môi là đồng chất, chứa đầy không gian giữa hai bản, điện dung
tăng lên lần ( là hằng số điện môi của chất điện môi).
b. Điện dung của một số tụ điện.
+ Tụ điện phẳng.
-Đó là hệ hai bản kim loại phẳng cùng diện tích S đặt song song và cách nhau
một đoạn d. Hai bản này là hai bản của tụ điện. Khoảng cách d rất bé so với
khoảng cách của hai bản. Do đó điện trường giữa hai bản được coi như gây
bởi hai mặt sonh song vô hạn mang điện với mật độ điện bằng nhau nhưng
trái dấu. Hai bản được coi là hưởng ứng tĩnh điện toàn phần. Gọi V1 là điện
thế của bản mang điện tích +q còn V2 là điện thế của bản mang điện tích –q
-Ta có: Điện dung C được xác định từ công thức
U
q
VV
qC
21
trong đó: U = E.d, E là điện trường giữa hai bản tụ điện
17 | P a g e
S
qE
oo
-Nếu giữa hai bản là chân không (hay không khí) có:
d
SC o oo CC .
-Từ biểu thức
d
S
U
qC o ta nhận thấy muốn tăng điện dung C thì phải tăng
S và giảm d. Tăng S thì kích thước của tụ sẽ lớn, giảm d (mà E không đổi) thì
U giảm. Nhưng mỗi tụ điện chỉ chịu được một hiệu điện thế U nhất định, quá
hiệu điện thế đó sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện giữa hai bản tụ. Hiệu điện
thế lớn nhất mà mỗi tụ có thể chịu được gọi là hiệu điện thế đánh thủng. Vậy
ta có thể tăng điện dung bằng cách ghép song song các tụ hoặc tăng hằng số
điện môi .
+ Tụ điện cầu
Tụ điện cầu là tụ điện mà hai bản của tụ là hai
mặt cầu đồng tâm tích điện trái dấu, giữa chúng
xảy ra hiện tượng hưởng ứng tĩnh điện toàn
phần. Để tính cường độ điện trường tại M cách
tâm mặt cầu một khoảng r (R1< r < R2) ta chọn
mặt Gauxơ là mặt cầu tâm O bán kính r
-Theo định lí O – G ta có:
24... rESEdSEdSEdSEN
S S
n
S
-Mặt khác ta lại có:
o
qN
24 r
qE
o
-Mà: V 24
1
r
q
dr
dV
dr
dVE
o
18 | P a g e
( Vì vectơ cường độ điện trường trùng phương với pháp tuyến của mặt đẳng
thế và trùng phương bán kính)
Hệu điện thế giữa hai bản là:
r
drqdVVVU
R
R
2
0
1
2
21 4
1
2
4 0
q
r
1
R
R
2
1
RR
q
210
11
4
RR
RR
RR
VV
q
U
q
C
12
210
21
0
21
4
11
4
-Nếu bản ngoài rất xa bản trong ( R2 >> R1)thì: 14 RC o và kềt quả này
cũng đúng cả trong trường hợp nếu bản ngoài không có dạng hình cầu nhưng
rất xa bản trong. Khi đó thì 14 RC o là điện dung của một quả cầu cô lập
-Nếu khoảng không gian giữa hai bản của tụ điện chứa đầy điện môi có hằng
số điện môi là thì điện dung của tụ điện cầu là:
12
214
RR
RRC o
+ Tụ điện trụ
Hai bản của tụ điện là hai mặt mặt trụ
kim loại đồng trục có bán kính R1 , R2
Nếu chiều cao l rất lớn so với các bán
kính R1,R2 ta có thể coi điện trường giữa
hai bản như điện trường gây ra bởi hai
mặt trụ mang điện dài vô hạn. Khoảng
không gian giữa hai bản của tụ điện hình
trụ là chân không (là không khí), giữa
chúng xảy ra hiện tượng hưởng ứng tĩnh
điện toàn phần
-Để tính cường độ điện trường tại M nằm trong khoảng không gian giữa hai
bản tụ và cách trục hình trụ một khoảng r ( R1 < r < R2 ) ta chọn mặt Gauxơ
19 | P a g e
đồng trục với hai mặt trụ của tụ điện đồng thời quy ước vẽ vectơ pháp tuyến
n với mặt trụ hướng từ trong mặt trụ.
-Theo định lí O – G ta có: N =
-Với hai mặt đáy của hình trụ thì nên điện thông gửi qua hai mặt đáy
bằng 0 Điện thông gửi qua mặt S là điện thông gửi qua mặt xung quanh là:
dSEN
S xq
Vì cùng phương, cùng chiều với và hướng dọc theo bán kính nên ta có:
rlESEdSEdSEN xq
S xqS xq
2..
-Mặt khác ta có:
o
qN
rl
qE
o4
VgradE dn
dV
dn
dVE drEdV .
VV 21 rl
q
r
dr
l
qR
R
ln22 00
1
2
R
R
2
1
R
R
l
q
1
2
0
ln2
1
221 ln
2
R
R
l
VV
qC o
-Nếu khoảng không gian giữa hai bản của tụ điện hình trụ chứa điện môi đồng
chất có hằng số điện môi thì điện dung của tụ điện hình trụ là:
1
2ln
2
R
R
lC o
20 | P a g e
-Nếu khoảng cách giữa hai bản d = R2 – R1 << R1 thì theo công thức tính gần
đúng ta có:
R
d
R
RR
R
RR
R
R
11
12
1
12
1
2 1lnln
d
S
d
lRC 0102
S = 2 là diện tích của mỗi bản tụ
-Tuy nhiên với một chất điện môi xác định ta không thể tăng điện dung của tụ
điện bằng cách giảm mãi khoảng cách giữa hai bản được, vì khi đó điện
trường giữa hai bản sẽ rất lớn làm cho chất điện môi giữa hai bản trở thành
dẫn điện, điện tích trên hai bản sẽ phóng qua lớp điện môi của tụ điện, khi đó
ta nói tụ điện bị đánh thủng. Hơn nữa ta cũng không thể đặt vào các bản của
tụ điện hiệu điện thế lớn quá mức chịu đựng của tụ điện. Như vậy, muốn có
những tụ điện kích thước nhỏ, điên dung lớn cần chọn những chất điện môi có
hằng số điện môi lớn và chịu được hiệu điện thế đánh thủng cao.
-ứng dụng: Một số tụ điện thường dùng trong kĩ thuật.
+Tụ điện có giấy tẩm parafin (tụ điện mica). Tụ này gồm những lá thiếc (lá
kim loại khác) cuộn nhiều lớp tạo thành hình trụ, cứ giữa hai lớp lại đệm một
tờ giấy có tẩm parafin hay một lá mica dùng làm chất cách điện. Điệndung
của tụ điện này có thế lên tới 10-2 F và tụ có thể chịu được hiệu điện thế lên
tới vài trăm vôn. Loại tụ điện này gồm các tụ mắc song song với nhau.
+Tụ điện điện phân: Để có được điện dung C lớn trong những tụ điện có kích
thước nhỏ người ta dùng tụ điện điện phân. Loại tụ này được chế tạo bằng
cách điện phân một dung dịch bicacbonat, phot phat, xitrat hay borat kiềm với
21 | P a g e
hai cực bằng nhôm. Do kết quả điện phân ta thu được một lớp Al2O3 trong
suốt cách điện dày khoảng 2.10-6 m. Như vậy ta thu được một tụ điện điện
phân: một bản là cực dương Al. Vì lớp cách điện rất mỏng nên điện dung của
tụ điện điện phân rất lớn. Một tụ điện điện phân có dạng hình ống cao từ
10 15.10-2 m, đường kính khoảng 2 3.10-2 m sẽ có điện dung bằng 1200
pF và chịu được hiệu điện thế lớn nhất khoảng 600 700 V. Nếu bề
dày của lớp Al2O3 thay đổi thì hiệu điện thế lớn nhất mà tụ có thể chịu được
cũng thay đổi. Nhược điểm của loại tụ điện này là điện dung thường không ổn
định, chỉ dùng được với hiệu điện thế một chiều, bản cực dương Al phải nối
với cực dương của nguồn. Nếu nối bản dương Al với cực âm thì lớp Al2O3 sẽ
bị phân huỷ, các bản bị ngắn mạch, tụ điện sẽ bị hỏng.
+ Tụ điện có điện dung thay đổi được (tụ xoay): Tụ điện gồm hai hệ thống
bản kim loại (thường có hình bán nguyệt) riêng biệt đặt xen kẽ nhau trong
không khí. Các bản kim loại thuộc cùng một hệ thống được nối với nhau bằng
một thanh dẫn điện và tụ điện cũng là một bộ gồm nhiều tụ điện mắc song
song nhau. Một trong hai hệ thống được gắn cố định, còn một bản có thể quay
xung quanh một trục. Khi hệ thống bản này quay xung quanh trục thì diện tích
đối diện của hai hệ thống bản thay đổi, điện dung của tụ điện sẽ biến thiên.
Loại tụ điện này thường được dùng trong các máy thu thanh.
1.3.3: Ghép các tụ điện.
1.3.3.1: Ghép song song các tụ điện.
22 | P a g e
- Ta có n tụ điện mắc song song với nhau mắc vào nguồn điện như hình vẽ và
nguồn điện có hiệu điện thế: V1 – V2
-Ta có: q1 = C1 ( V1 – V2 )
q2 = C2 ( V1 – V2 )
…………………….
qn = Cn ( V1 – V2 )
Tổng điện tích của cả bộ tụ điện là:
q = q1 + q2 +…………+ qn = ( V1 – V2 ) ( C1 + C2 +…………+ Cn )
Điện dung tương đương của bộ tụ điện là:
n
i
in CCCCVV
qC
1
21
21
...........
1.3.3.2: Ghép nối tiếp các tụ điện.
Ta có hai tụ điện mắc nối tiếp với nhau như hình vẽ
V1 C1 C2 V2
q1 q2
Hai tụ điện này được mắc vào nguồn điện có hiệu điện thế là: V1 – V2
Do hiện tượng hưởng ứng tĩnh điện toàn phần trên mỗi tụ đều có hiệu điện
tích là q.
Hiệu điện thế trên mỗi tụ là:
1
1 ' C
qVV ,
2
2' C
qVV
V1 V2
23 | P a g e
21
21
11
CC
qVV
Điện dung tương đương của bộ tụ điện mắc nối tiếp:
21
21 111
CCq
VV
C
Nếu ta có n tụ điện mắc nối tiếp thì ta có:
n
i iCC 1
11
1.3.3.3: Ghép hỗn hợp.
1.4. Năng lượng điện trường.
1.4.1: Năng lượng tương tác của một hệ điện tích.
-Biểu thức thế năng của điện tích q2 đặt trong điện trường gây bởi điện tích q1
là:
r
qqW
o
12
4
1
r là khoảng cách giữa hai điện tích và đó cũng là biểu thức thế năng của điện
tích q1 đặt trong điện trường gây bởi điện tích q2 và được viết lại:
r
qq
r
qqW
oo 42
1
42
1 1
2
2
1
Các tụ điện được ghép thành bộ vừa
ghép song song, vừa ghép nối tiếp. Để
tìm điện dung C của hệ này ta sử dụng
lần lượt các công thức tính điện dung
của hai cách ghép trên.
24 | P a g e
Với 124 Vr
q
o
: là điện thế do q2 gây ra tại điểm đặt của q1
214
V
r
q
o
: là điện thế do q1 gây ra tại điểm đặt của q2
Thế năng tương tác (cũng chính là năng lượng) của hệ hai điện tích điểm
q1, q2 cách nhau một khoảng r là: W = 2211 2
1
2
1 VqVq
-Đối với hệ gồm n điện tích điểm thì năng lượng của hệ điện tích điểm đó là:
VqVqW 2211 2
1
2
1
Vq nn2
1................... Vq ii
n
i
12
1
1.4.2: Năng lượng của một vật dẫn tích điện cô lập.
-Chia vật dẫn thành các vật dẫn vô cùng nhỏ mang điện tích dq. Năng lượng
điện của toàn bộ vật dẫn tích điện:
VqdqVdqVW 2
1
2
1.
2
1
C
qCV
2
2
2
1
2
1
(Vật dẫn tích điện là một vật đẳng thế, V có giá trị như nhau cho toàn bộ hệ.)
1.4.3: Năng lượng của một hệ vật dẫn tích điện.
-Giả sử có một hệ vật dẫn cân bằng điện, có các điện tích và điện thế lần lượt
là: q1, q2, …, qn và V1, V2 ,….., Vn.
-Năng lượng của hệ vật dẫn tích điện: VqW ii
n
i
12
1
-Đối với tụ điện: Khi tích điện cho tụ ta nối hai bản tụ với hai cực của nguồn
điện. Khi đó nguồn điện phải thực hiện một công để đưa các điện tích tới hai
25 | P a g e
bản tụ. Khi hiệu điện thế giữa hai bản là U mà nguồn tiếp tục đưa một lượng
điện tích đến tích vào hai bản tụ thì nguồn điện phải thực hiện một công để
thắng lực tĩnh điện:
dA = u. dq = C.u.du
Công mà nguồn điện phải thực hiện để tích điện cho tụ làm cho hiệu điện
thế của tụ tăng từ 0 đến U là:
duCuA
U
0 C
q
UC 22
1
2
2
Và công mà nguồn điện thực hiện được chuyển thành năng lượng của tụ điện:
AW C
q
UC 22
1
2
2
1.4.4: Năng lượng điện trường.
-Biểu thức năng lượng: W C
q
UC 22
1
2
2
tìm được trên cơ sở lập luận
cho tụ điện tích điện và năng lượng đó có thể định xứ trên các điện tích ở hai
bản tụ.
- Cả lí thuyết và thực nghiệm đều xác nhận trường điện từ biến thiên theo thời
gian tồn tại ngay cả khi không có điện tích và dòng điện. Trường điện từ biến
thiên lan truyền tạo thành sóng điện từ. Sóng điện từ mang năng lượng. Như
vậy năng lượng điện từ nói chung và năng lượng điện nói riêng định xứ trong
trường.
-Điện trường mang năng lượng. Vậy phần năng lượng của tụ điện là năng
lượng của điện trường tồn tại giữa các bản của tụ điện.
26 | P a g e
-Ta xét trường hợp tụ điện phẳng thì điện trường giữa hai bản tụ là điện
trường đều.
CUW 22
1
. Mà d
SC 0 , d
EU
SdEW 202
1
VE202
1
(trong đó: S.d = V là thể tích không gian giữa hai bản tụ trong đó có điện
trường.
Ew 202
1
là mật độ năng lượng điện trường
Ew 202
1
DED .2
1
2
1
0
2
-Trong trường hợp điện trường không đều ta chia khoảng không gian nơi có
điện trường thành các vi phân thể tích dV rất nhỏ sao cho trong mỗi vi phân
thể tích điện trường là đều.
dVEDdVEdVwW .2
1
2
1 2
0
1.5. Phương pháp ảnh điện
1.5.1: Cơ sở của phương pháp.
-Nếu ta thay một mặt đẳng thế nào đó trong điện trường bằng một vật dẫn có
cùng hình dạng và cùng điện thế với mặt đẳng thế đang xét thì điện trường ở
ngoài vật dẫn ấy sẽ không thay đổi.
1.5.2: Ví dụ
27 | P a g e
-Xác định lực tác dụng giữa một điện tích điểm và một mặt phẳng kim loại vô
hạn.
Bài giải:
Ta xét điện phổ và hệ thống mặt đẳng thế của
một hệ hai điện tích điểm bằng nhau và trái
dấu.
Mặt phẳng trung trực của đoạn thẳng nối hai
điện tích – q và + q là một mặt đẳng thế với
điện thế bằng 0 ( V = 0 ).
-Nếu ta thay mặt đẳng thế này bằng một mặt kim loại phẳng vô hạn P (lúc đầu
không mang điện) thì điện trường giữa mặt phẳng P và điện tích điểm +q sẽ
không bị thay đổi nghĩa là vẫn trùng với điện trường của hệ hai điện tích điểm
–q và +q. Vì vậy ta thay thế bài toán xác định lực tương tác giữa điện tích
điểm +q với mặt phẳng kim loại vô hạn P bằng bài toán xác định lực tương
tác giữa điện tích điểm +q và điện tích điểm –q đối xứng với +q qua mặt
phẳng kim loại đó (điện tích –q giống nhau ảnh của +q qua một gương
phẳng). Vì vậy người ta gọi là phương pháp ảnh điện.
-Gọi d là khoảng cách từ điện tích điểm +q tới mặt phẳng kim loại P thì lực
tác dụng giữa điện tích +q với mặt phẳng kim loại sẽ bằng lực tương tác giữa
hai điện tích điểm +q và -q được xác định từ định luật Culông.
d
q
F 44
1
2
2
0
Phần 2: ứng dụng ( giải một số bài tập ).
28 | P a g e
1. Dạng 1: Bài tập liên quan đến quả cầu dẫn điện (quả cầu kim
loại).hương pháp giải:
Gọi q là điện tích của quả cầu. Theo tính chất của vâật dẫn mang điện thì q
được phân bố đều trên mặt quả cầu kim loại. Do đó điện thế V của quả cầu
được xác định theo công thức:
R
q
V 4 0
( với R là bán kính của quả
cầu).
Bài 1:
Hai quả cầu kim loại bán kính R1 và R2 được đặt cách xa nhau một khoảng
rất lớn so với bán kính của chúng. Một điện tích q được phân bố cho hai quả
cầu đó sao cho thế năng của hệ đạt cực tiểu.
1) Hãy tính điện tích của mỗi quả cầu khi đó. Chứng minh rằng hiệu điện thế
giữa hai quả cầu bằng 0.
2) Giả sử R1 = R2 và ban đầu toàn bộ điện tích q là của quả cầu 1.
a) Tính thế năng của hệ.
b) Nối hai quả cầu bằng một dây dẫn, điện tích q được phân bố lại. Tính thế
năng mới của hệ.
Bài làm:
1)Gọi q1, q2 là điện tích mỗi quả cầu khi thế năng đạt giá trị cực tiểu. Vì hai
quả cầu ở xa nhau nên có thể bỏ qua hiện tượng hưởng ứng tĩnh điện giữa
chúng. Ta chọn gốc thế năng tại vô cùng thì thế năng của hệ hai điện tích là:
VqVqW 2211 2
1
2
1
29 | P a g e
qR
qqR
qqVqV 2
20
2
1
10
1
2211 42
1
42
1
2
1
2
1
R
q
R
q
20
2
2
10
2
1
88
Vì tổng điện tích là: q = q1 + q2 nên ta có thể viết:
R
qq
R
q
W
20
2
10
2
1
88
1
R
qq
R
q
dq
dW
2
1
1
1
01
22
8
1
Thế năng của hệ hai quả cầu đạt cực tiểu khi:
0
1
dq
dW 0
2
1
1
1
R
qq
R
q
qRR
Rq
21
1
1
qRR
Rq
21
2
2
RR
q
R
q
R
q
212
2
1
1
( )
Vậy điện thế của mỗi quả cầu là:
R
q
V
1
1
0
1 4
1
,
R
q
V
2
2
0
2 4
1
VV 21
Vậy hiệu điện thế giữa hai quả cầu là: U = V1 - V2 = 0
2) Giả sử R1 = R2 và ban đầu toàn bộ điện tích q là của quả cầu 1 thì:
a)Thế năng của hệ khi đó là:
R
qqR
qqVW
10
2
1
1
10
1
110 842
1
2
1
30 | P a g e
b.Nối hai quả cầu bằng một dây dẫn thì điện tích q được phân bố lại. Vì R1 =
R2 nên theo ( ) ta có:
2'' 21
q
qq
Khi đó ta có thế năng mới của hệ là:
'''2
1''2
1''2
1
2112211 VVqqVqVW
2164
''4
'
22
1 0
10
2
10
2
1
1
10
1 W
R
q
R
qqR
q
-Như vậy sau khi nối hai quả cầu bằng một dây dẫn thì năng lượng của hệ bị
giảm một nửa và năng lượng của hệ bị tiêu hao dưới dạng nhiệt lượng của dây
dẫn.
2. Dạng 2: Bài tập áp dụng nguyên lí chồng chất.
-Điều kiện áp dụng: Hệ vật dẫn gồm những vật có kích thước nhỏ so với
khoảng cách giữa chúng thì khi đó ta có thể coi mỗi vật như một điện tích.
Bài 1:
Một mặt cầu kim loại bán kính R trung hoà điện đặt trong điện trường đều thì
mật độ điện tích hưởng ứng trên mặt cầu được xác định bằng công thức: =
, với là một hằng số, còn là góc hợp bởi vectơ bán kính của điểm
khảo sát và vectơ cường độ điện trường ngoài. Xác định lực tổng hợp tác
dụng lên tất cả các điện tích hưởng ứng cùng tên trên mặt cầu.
Bài giải:
31 | P a g e
-Ta xét các lực tác dụng lên một nửa mặt cầu kim loại bán kính R trung hoà
điện được đặt trong điện trường đều với mật độ điện tích hưởng ứng trên mặt
quả cầu là:
-Để xác định lực tổng hợp tác dụng lên tất cả các điện tích hưởng ứng cùng
tên trên mặt cầu thì ta chia mặt cầu thành những phần tử diện tích dS sao cho
mỗi phần tử diện tích mang điện tích dq = dS . Vì trên mặt cầu là các điện
tích hưởng ứng cùng tên nên mỗi phần tử diện tích dS mang điện tích dS
chịu tác dụng của lực đẩy tĩnh điện được xác định bằng:
dSdqEdF .
2
.
0
dSdF
o
2
2
-Chọn hệ trục toạ độ Oxy như
hình vẽ.
d có phương vuông góc với mặt
cầu có chiều hướng từ trong ra ngoài.
-Ta phân tích d thành hai thành phần vuông góc d và d có:
d = d + d
-Do tính chất đối xứng nên các thành phần d tự triệt tiêu lẫn nhau nên
i
d = 0 và chỉ còn các thành phần d
d y
d d d d
d d
x
32 | P a g e
Lực tác dụng lên tất cả các điện tích hưởng ứng trên mặt cầu là:
=
mc
d F =
mc
dF. =
mc o
dS
2
2
=
mc o
2
2
3cos . 2 R.dh
( Mà ta có: = R
h
)
F =
R
Ro
o
0
2
2 2
2
.h3.dh = =
o
o R
4
22
Bài 2:
Một quả cầu nhỏ mang một điện tích q = 2.10-7 C đặt cách một tấm kim loại
phẳng một khoảng a = 3cm. Tấm kim loại này được nối với đất. Hãy tính lực
tác dụng lên quả cầu.
33 | P a g e
Bài làm:
Một quả cầu nhỏ mang điện q đặt cách
một tấm kim loại phẳng được nối đất
thungì giữa chúng xảy ra hiện tượng
hưởng ứng tĩnh điện và trên mặt tấm
kim loại sẽ xuất hiện các điện tích
hưởng ứng. Các điện tích hưởng ứng
ạiên mặt kim loại chịu tác dụng của lực
tĩnh điện .
Theo định luật 3 Niutơn thì lực tác dụng lên quả cầu về độ lớn bằng lực tác
dụng lên tấm kim loại mang điện do hiện tượng hưởng ứng tĩnh điện.
Ta xét một điểm M nằm bên trong và sát mặt kim loại. Điện tích hưởng ứng
tại M chịu tác dụng của lực tĩnh điện d . Do tính chất đối xứng nên ta chỉ
cần chú ý tới thành phần lực vuông góc với tấm kim loại.
Để tính dF ta chia tấm kim loại thành các phần tử hình vành khăn có bán kính
là x, bề rộng dx và có diện tích dS.
dF = Eq . dq
(với Eq cường độ điện trường do quả cầu mang điện tích q gây ra trên mặt của
tấm kim loại và trong trường hợp này ta xét hệ thống đặt trong không khí =
1 nên:
Eq = 24 r
q
o
dq là điện tích hưởng ứng trên dS với mật độ điện tích mặt là
34 | P a g e
dq = . dS
dF = 24 r
q
o
. 2 x.dx
dF = 24 r
q
o
.x.dx = dxxxa
q
o
.
2 22
( a là khoảng cách giữa điện tích q và tấm kim loại )
-Mặt khác do tính chất của vật dẫn cân bằng tĩnh điện thì điện trường bên
trong vật dẫn bằng 0 nên ta có:
= + = 0
Vì ta chỉ chú ý tới thành phần vuông góc với tấm kim loại nên ta có:
Eq . - Em = 0 Eq . = Em
r
a
r
q
o
24
=
o
2
= 32
.
r
aq
dF = dxxa
x
xa
aqq
o
22
2
322
2
2
..
dF =
dx
xa
axq
o
2
522
2
4
Lực tác dụng lên quả cầu là:
F = =
dx
xa
xaq
o 2
5220
2
4
=
0 2
522
222
8 ax
axdaq
o
=
0
1
3
2
8
2
3
22
2
ax
aq
o
= 2
2
12 a
q
o
35 | P a g e
= 12
27
10.86,8.12
10.2
3. Dạng 3: Bài tập áp dụng định lí O – G
Dạng bài tập này áp dụng cho hệ điện tích có tính chất đối xứng.
Phương pháp giải:
-Xác định các yếu tố đối xứng của hệ điện tích.
-chọn mặt Gauxơ sao cho tính điện thông được dễ dàng.
-áp dụng định lí O – G và xác định các yếu tố khác có liên quan.
Bài 1:
Hai tấm kim loại phẳng song song, rộng vô hạn đặt trong điện môi đồng chất,
điện tích toàn phần (tức là điện tích ở cả hai mặt của tấm kim loại) trên một
đơn vị diện tích của tấm thứ nhất bằng q1, của tấm thứ hai bằng q2. Xác định
mật độ điện tích trên các bản , , , .
Bài giải:
Ta có , , , lần lượt là mật độ điện tích mặt trên các bản của hai tấm
kim loại được mô tả như trên hình vẽ:
Ta có : + ).S = q1
+ = q2
Ta xét mặt Gauxơ dưới dạng mặt trụ đáy S’, hai
đáy nằm bên trong hai tấm kim loại phẳng như
hình vẽ. Ta có vectơ pháp tuyến hướng từ trong ra
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- testpro_template_luan_van_6887_1922.pdf