Hệ thống kiến thức Vật lý 11 nâng cao - Chương 1: Điện tích điện trường

Trường THPT Nguyễn Đáng
Lớp 11
Họ và Tên:
HỆ THỐNG KIẾN THỨC
VẬT LÝ 11 NÂNG CAO
Chương 1
ĐIỆN TÍCHĐIỆN TRƯỜNG
–Y—
I/. Điện tích. Định luật Cu-lông
Hai loại điện tích. Sự nhiễm điện của các vật
a) Có hai loại điện tích: điện tích dương, điện tích âm. Các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau, các điện tích trái dấu thì hút nhau.
+ Đơn vị điện tích là cu-lông, kí hiệu là C.
+ Điện tích của êlectron là điện tích âm, có độ lớn e = 1,6.C.
b) Sự nhiễm điện của các vật
+ Nhiễm điện do cọ xát: Sau khi cọ xát vào lụa, thanh thủy tinh có thể hút được các mẫu giấy vụn. Ta nói thanh thủy tinh được nhiễm điện do cọ xát.
+ Nhiễm điện do tiếp xúc: Cho thanh kim loại không nhiễm điện chạm vào quả cầu đã nhiễm điện thì thanh kim loại nhiễm điện cùng dấu với điện tích của quả cầu. Ta nói thanh kim loại được nhiễm điện do tiếp xúc. Đưa thanh kim loại ra xa quả cầu thì thanh kim loại vẫn nhiễm điện.
+ Nhiễm điện do hưởng ứng: Đưa thanh kim loại không nhiễm điện đến gần quả cầu đã nhiễm điện nhưng không chạm vào quả cầu, thì hai đầu thanh kim loại được nhiễm điện. Đầu gần quả cầu hơn nhiễm điện trái dấu với điện tích của quả cầu, đầu xa hơn nhiễm điện cùng dấu. Ta nói thanh kim loại được nhiễm điện do hưởng ứng. Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng hưởng ứng tĩnh điện (hiện tượng điện hưởng). Đưa thanh kim loại ra xa quả cầu thì thanh kim loại lại trở về trạng thái không nhiễm điện như lúc đầu.
Định luật Cu-lông
Độ lớn của lực tương tác giữa hai điện tích điểm tỉ lệ thuận với tích các độ lớn của hai điện tích đó và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.
Phương của lực tương tác giữa hai điện tích điểm là đường thẳng nối hai điện tích điểm đó. Hai điện tích cùng dấu thì đẩy nhau, hai điện tích trái dấu thì hút nhau (Hình 1.6).
+ Công thức tính độ lớn của lực tương tác giữa hai điện tích điểm: 
Trong đó r là khoảng cách giữa hai điện tích điểm .
k là hệ số tỉ lệ, trong hệ SI, . 
Đơn vị của r là mét (m), điện tích q là cu-lông (C) và của lực F là niu-tơn (N).
+ Lực tương tác giữa hai điện tích gọi là lực tĩnh điện hay lực Cu-lông.	
Lực tương tác của các điện tích trong điện môi (chất cách điện)
Lực tương tác giữa các điện tích điểm đặt trong điện môi đồng tính, chiếm đầy không gian xung quanh điện tích, giảm đi lần so với khi chúng được đặt trong chân không. . Trong đó được gọi là hằng số điện môi. Trong chân không = 1; trong không khí .
II/. Thuyết êlectron. Định luật bảo toàn điện tích
Thuyết êlectron
Nguyên tử được cấu tạo gồm hai phần: hạt nhân mang điện tích dương nằm ở tâm nguyên tử; các êlectron mang điện tích âm quay xung quanh hạt nhân tạo thành lớp vỏ nguyên tử.
+ Bình thường tổng đại số tất cả các điện tích trong nguyên tử bằng không, nguyên tử trung hòa về điện. Nếu nguyên tử bị mất một số êlectron thì trở thành hạt mang điện dương gọi là ion dương. Ngược lại, nếu nguyên tử nhận thêm một số êlectron thì trở thành ion âm.
+ Khối lượng êlectron rất nhỏ (kg) nên độ linh động rất lớn. Vì thế êlectron có thể di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác, hay từ vật này sang vật khác. Vật thừa êlectron nhiễm điện âm, vật thiếu êlectron nhiễm điện dương.
Vật (chất) dẫn điện và vật (chất) cách điện
+ Vật dẫn điện là những vật có nhiều hạt mang điện có thể di chuyển được trong khoảng lớn hơn nhiều lần kích thước phân tử của vật. Những hạt đó gọi là các điện tích tự do.
Kim loại có nhiều êlectron tự do, các dung dịch muối, axit, bazơ có nhiều ion tự do. Chúng là những chất dẫn điện.
+ Vật cách điện (điện môi) là những vật có chứa rất ít điện tích tự do. Thủy tinh, nước nguyên chất, không khí khô,là những điện môi.
Giải thích ba hiện tượng nhiễm điện
+ Nhiễm điện do cọ xát: Khi thanh thủy tinh cọ xát với lụa, một số êlectron từ thủy tinh di chuyển sang lụa. Thủy tinh mất êlectron nên nhiễm điện dương, lụa nhận thêm êlectron nên nhiễm điện âm.
+ Nhiễm điện do tiếp xúc: Khi thanh kim loại trung hòa điện tiếp xúc với quả cầu nhiễm điện âm, thì một phần trong số các êlectron thừa ở quả cầu di chuyển sang thanh kim loại. Thanh kim loại cũng thừa êlectron nên nhiễm điện âm cùng loại với điện tích của quả cầu. Nếu quả cầu nhiễm điện dương thì một số êlectron tự do trong thanh kim loại di chuyển sang quả cầu. Thanh kim loại mất êlectron nên nhiễm điện dương.
+ Nhiễm điện do hưởng ứng: Thanh kim loại trung hòa điện đặt gần quả cầu nhiễm điện âm, thì các êlectron tự do trong thanh kim loại bị đẩy ra xa quả cầu. Do đó, đầu thanh kim loại xa quả cầu thừa êlectron nên nhiễm điện âm. Đầu kia thiếu êlectron nên nhiễm điện dương. Nếu quả cầu nhiễm điện dương thì kết quả ngược lại.
Định luật bảo toàn điện tích
Trong một hệ vật cô lập về điện, nghĩa là hệ không trao đổi điện tích với các hệ khác, thì tổng đại số các điện tích trong hệ là một hằng số.
III/. Điện trường
Điện trường
+ Một điện tích tác dụng lực điện lên các điện tích khác ở gần nó. Ta nói, xung quanh điện tích có điện trường.
+ Tính chất cơ bản của điện trường là nó tác dụng lực điện lên điện tích đặt trong nó.
Cường độ điện trường
Đặt điện tích q vào trong điện trường. Điện trường tác dụng lực lên điện tích q.
+ Thương số đặc trưng cho điện trường ở điểm đang xét về mặt tác dụng lực gọi là cường độ điện trường và kí hiệu là . 
Trong hệ SI, đơn vị cường độ điện trường thường dùng là vôn/mét (V/m).
+ Từ công thức trên, ta suy ra: 
Nếu q > 0 thì cùng chiều với . Nếu q < 0 thì ngược chiều với .
Đường sức điện
a) Định nghĩa: Đường sức điện là đường được vẽ trong điện trường sao cho hướng của tiếp tuyến tại bất kỳ điểm nào trên đường cũng trùng với hướng của vectơ cường độ điện trường tại điểm đó.
b) Các tính chất của đường sức điện
+ Tại mỗi điểm trong điện trường, ta có thể vẽ được một đường sức điện đi qua và chỉ một mà thôi.
+ Các đường sức điện là các đường cong không kín. Nó xuất phát từ các điện tích dương và tận cùng ở các điện tích âm.
+ Các đường sức điện không bao giờ cắt nhau.
+ Nơi nào cường độ điện trường lớn hơn thì các đường sức điện ở đó được vẽ mau hơn (dày hơn), nơi nào cường độ điện trường nhỏ hơn thì các đường sức ở đó được vẽ thưa hơn.
c) Điện phổ: Dùng bột cách điện rắc vào dầu cách điện và khuấy đều. Sau đó đặt một quả cầu nhỏ nhiễm điện vào trong dầu. Gõ nhẹ vào khay dầu thì các hạt bột sẽ sắp xếp thành các “đường hạt bột”. Ta gọi hệ các “đường hạt bột” đó là điện phổ của quả cầu nhiễm điện. Điện phổ cho phép ta hình dung dạng và sự phân bố các đường sức điện.
Điện trường đều
Một điện trường mà vectơ cường độ điện trường tại mọi điểm đều bằng nhau gọi là điện trường đều.
+ Đường sức của điện trường đều là các đường thẳng song song và cách đều nhau.
Điện trường của một điện tích điểm
Cường độ điện trường của điện tích điểm Q tại một điểm là: Với r là khoảng cách từ điểm khảo sát đến điện tích Q.
+ Nếu Q > 0 thì cường độ điện trường hướng ra xa điện tích Q.
+ Nếu Q < 0 thì cường độ điện trường hướng về phía điện tích Q.
Nguyên lý chồng chất điện trường
Giả sử ta có hệ n điện tích điểm . Gọi cường độ điện trường của hệ ở một điểm nào đó là . Cường độ điện trường chỉ của điện tích là , cường độ điện trường chỉ của điện tích là ,, cường độ điện trường chỉ của điện tích là tại điểm đang xét. Khi đó ta có: 
IV/. Công của lực điện. Hiệu điện thế
Công của lực điện
+ Công của lực điện tác dụng lên một điện tích q chuyển động từ M đến N trong điện trường đều được tính bởi: Trong đó M’, N’ là hình chiếu của hai điểm M, N lên trục Ox (trục Ox có chiều trùng với chiều của đường sức).
+ Công của lực điện tác dụng lên một điện tích không phụ thuộc dạng đường đi của điện tích mà chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm đầu và điểm cuối của đường đi trong điện trường.
Khái niệm hiệu điện thế
a) Công của lực điện và hiệu thế năng của điện tích: .
b) Hiệu điện thế, điện thế
+ Ta có thể biểu diễn trong đó được gọi là hiệu điện thế giữa hai điểm M, N và kí hiệu là .
+ Hiệu điện thế giữa hai điểm trong điện trường là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công của điện trường khi có một điện tích di chuyển giữa hai điểm đó.
 Các đại lượng được gọi là điện thế của điện trường tại điểm M, N tương ứng. Điện thế của điện trường phụ thuộc vào cách chọn mốc tính điện thế.
+ Đơn vị điện thế và hiệu điện thế là vôn (V).
+ Để đo hiệu điện thế người ta dùng tĩnh điện kế. 
+ Trong kỹ thuật, hiệu điện thế gọi là điện áp.
Liên hệ giữa cường độ điện trường và hiệu điện thế: . Trong trường hợp không cần để ý đến dấu của các đại lượng thì ta có thể viết Với d là khoảng cách giữa M’, N’.
V/. Vật dẫn và điện môi trong điện trường
Vật dẫn trong điện trường
a) Trạng thái cân bằng điện: Sau khi vật dẫn được tích điện, trong vật dẫn không còn dòng điện nữa, người ta nói vật dẫn cân bằng tĩnh điện hay nói tắt là cân bằng điện.
b) Điện trường trong vật dẫn tích điện: Khi vật dẫn cân bằng điện:
+ Bên trong vật dẫn, điện trường bằng không.
+ Trong phần rỗng của vật dẫn, điện trường cũng bằng không.
+ Cường độ điện trường tại một điểm trên mặt ngoài vật dẫn sẽ vuông góc với mặt ngoài.
c) Điện thế của vật dẫn tích điện: Khi vật dẫn cân bằng điện, điện thế tại mọi điểm trên mặt ngoài và tại mọi điểm bên trong vật dẫn có giá trị bằng nhau. Vật dẫn khi đó là vật đẳng thế.
d) Sự phân bố điện tích ở vật dẫn tích điện
+ Khi vật dẫn nhiễm điện thì điện tích chỉ phân bố ở mặt ngoài của vật.
+ Ở những chỗ lồi của mặt vật dẫn, điện tích tập trung nhiều hơn và nhiều nhất ở chỗ mũi nhọn. Ở chỗ lõm hầu như không có điện tích.
Điện môi trong điện trường
Khi đặt một vật điện môi trong điện trường thì hạt nhân và êlectron trong các nguyên tử của vật đó chịu tác dụng của lực điện trường. Các êlectron xê dịch ngược chiều điện trường, còn hạt nhân thì hầu như không xê dịch. Kết quả là mỗi nguyên tử như được kéo dãn ra một chút và chia thành hai đầu mang điện tích trái dấu nhau. Người ta nói điện môi bị phân cực. (H 6.5 Sgk)
VI/. Tụ điện
Tụ điện
a) Định nghĩa: Tụ điện là một hệ hai vật dẫn đặt gần nhau. Mỗi vật dẫn đó gọi là một bản của tụ điện. Khoảng không gian giữa hai bản có thể là chân không hay bị chiếm bởi một chất điện môi nào đó.
+ Kí hiệu tụ điện trong sơ đồ mạch điện: 
b) Tụ điện phẳng là tụ điện mà hai bản của tụ là hai tấm kim loại phẳng có kích thước lớn, đặt đối diện nhau và song song với nhau.
+ Khi tích điện thì điện tích ở hai bản của tụ điện phẳng có độ lớn bằng nhau. Độ lớn của điện tích trên mỗi bản gọi là điện tích của tụ điện.
Điện dung của tụ điện
a) Định nghĩa: Nối hai bản của tụ điện với một nguồn điện có hiệu điện thế U thì tụ điện sẽ có điện tích Q. Thương số đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện và được gọi là điện dung của tụ điện, kí hiệu là C. 
+ Trong hệ SI, đơn vị của điện dung là fara, kí hiệu là F. Fara là điện dung của một tụ điện mà khi hiệu điện thế giữa hai bản là 1 V thì điện tích của tụ điện là 1 C.
+ Các ước của fara: ; ; .
b) Công thức tính điện dung của tụ điện phẳng: Trong đó S là phần diện tích đối diện của hai bản (), d là khoảng cách giữa hai bản (m) và là hằng số điện môi của chất điện môi chiếm đầy giữa hai bản.
+ Mỗi tụ điện có một hiệu điện thế giới hạn (hiệu điện thế lớn nhất) thường được ghi trên tụ điện. Nếu hiệu điện thế giữa hai bản tụ U > thì điện trường trong tụ điện ( là điện trường giới hạn của lớp điện môi). Khi đó điện môi mất tính chất cách điện, ta nói điện môi bị đánh thủng (tụ điện sẽ bị hỏng). Vậy, không nên mắc tụ điện vào hiệu điện thế lớn hơn hiệu điện thế giới hạn.
Ghép tụ điện
Khi ghép các tụ điện với nhau ta được một bộ tụ điện. Gọi ; ; lần lượt là điện dung, hiệu điện thế và điện tích của các tụ điện và lần lượt là điện dung, hiệu điện thế và điện tích của bộ tụ điện. Khi đó ta có: và 
a) Ghép song song 
+ Tạo ra bộ tụ điện có điện dung lớn hơn.
+ 	 	 
+ (Điện tích tỉ lệ thuận với điện dung).
+ Nếu có n tụ điện giống nhau ghép song song thì và 
b) Ghép nối tiếp
+ Tạo ra bộ tụ điện có điện dung nhỏ hơn.
+ 	 	 
+ (Hiệu điện thế tỉ lệ nghịch với điện dung).
+ Nếu có n tụ điện giống nhau ghép nối tiếp thì và 
VII/. Năng lượng điện trường
Năng lượng của tụ điện: 
 Hoặc Hoặc 
Đơn vị của năng lượng là jun (J).
Năng lượng điện trường
+ Năng lượng của tụ điện chính là năng lượng của điện trường trong tụ điện.
Trong đó V là thể tích khoảng không gian giữa hai bản tụ điện phẳng ()
+ Mật độ năng lượng điện trường: Hay 
Đơn vị của mật độ năng lượng là J/.