Các loại điện tích và sự tương tác của chúng. Momen từ và điện tích

Các quá trình vật lý xảy ra trong tự nhiên không phải lúc nào cũng được giải thích bằng các định luật về lý thuyết động học phân tử, cơ học hoặc nhiệt động lực học. Ngoài ra còn có lực điện từ tác dụng ở khoảng cách xa và không phụ thuộc vào khối lượng của cơ thể.

Những biểu hiện của chúng lần đầu tiên được mô tả trong các tác phẩm của các nhà khoa học Hy Lạp cổ đại, khi chúng thu hút ánh sáng, các hạt nhỏ của từng chất bằng hổ phách cọ xát vào len.

Đóng góp lịch sử của các nhà khoa học cho sự phát triển của điện động lực học

Thí nghiệm với hổ phách được nghiên cứu chi tiết bởi một nhà nghiên cứu người Anh William Gilbert. Vào những năm cuối của thế kỷ 16, ông đã đưa ra một báo cáo về công trình của mình và gọi những vật có khả năng hút các vật thể khác ở khoảng cách xa bằng thuật ngữ “được nhiễm điện”.

Nhà vật lý người Pháp Charles Dufay đã xác định sự tồn tại của các điện tích trái dấu: một số được hình thành do ma sát của các vật thủy tinh trên vải lụa, và một số khác do nhựa trên len. Đó là những gì ông gọi chúng: thủy tinh và nhựa. Sau khi hoàn thành việc nghiên cứu Benjamin Franklin Khái niệm về điện tích âm và điện tích dương đã được đưa ra.

Charles Coulomb nhận ra khả năng đo lực điện tích bằng thiết kế cân xoắn theo phát minh của chính ông.

Robert Millikan, dựa trên một loạt thí nghiệm, đã thiết lập bản chất rời rạc của điện tích của bất kỳ chất nào, chứng minh rằng chúng bao gồm một số lượng hạt cơ bản nhất định. (Đừng nhầm lẫn với một khái niệm khác của thuật ngữ này - sự phân mảnh, sự gián đoạn.)

Công trình của các nhà khoa học này là nền tảng của kiến thức hiện đại về các quá trình và hiện tượng xảy ra trong điện trường và từ trường do điện tích tạo ra và chuyển động của chúng, được nghiên cứu bằng điện động lực học.

Định nghĩa về phí và nguyên tắc tương tác của chúng

Điện tích đặc trưng cho tính chất của các chất cung cấp cho chúng khả năng tạo ra điện trường và tương tác trong các quá trình điện từ. Nó còn được gọi là lượng điện và được định nghĩa là đại lượng vô hướng vật lý. Để biểu thị điện tích, các ký hiệu “q” hoặc “Q” được sử dụng và trong các phép đo, chúng sử dụng đơn vị “Coulomb”, được đặt theo tên của nhà khoa học người Pháp đã phát triển một kỹ thuật độc đáo.

Ông đã tạo ra một thiết bị có thân sử dụng những quả bóng treo trên một sợi thạch anh mỏng. Chúng được định hướng trong không gian theo một cách nhất định và vị trí của chúng được ghi lại theo thang chia độ có độ chia bằng nhau.

Thông qua một lỗ đặc biệt trên nắp, một quả bóng khác có điện tích bổ sung được đưa vào những quả bóng này. Các lực tương tác xuất hiện khiến các quả bóng bị chệch hướng và làm quay cánh tay đòn của chúng. Độ lớn của sự khác biệt về số đọc trên thang đo trước và sau khi nạp điện giúp có thể ước tính lượng điện trong các mẫu thử nghiệm.

Điện tích 1 coulomb được đặc trưng trong hệ SI bằng dòng điện 1 ampe đi qua tiết diện của dây dẫn trong thời gian bằng 1 giây.

Điện động lực học hiện đại chia tất cả các điện tích thành:

tích cực;

tiêu cực.

Khi chúng tương tác với nhau, chúng phát triển lực, hướng của lực này phụ thuộc vào cực hiện có.

Các điện tích cùng loại, dương hay âm, luôn đẩy nhau ngược chiều nhau, cố gắng di chuyển càng xa nhau càng tốt. Và các điện tích trái dấu có lực có xu hướng đưa chúng lại gần nhau hơn và hợp nhất chúng thành một tổng thể.

Nguyên lý chồng chất

Khi có nhiều điện tích trong một thể tích nhất định, nguyên tắc chồng chất sẽ áp dụng cho chúng.

Ý nghĩa của nó là mỗi điện tích theo một cách nhất định, theo phương pháp đã thảo luận ở trên, tương tác với tất cả các điện tích khác, bị hút bởi những điện tích khác loại và bị đẩy bởi những điện tích cùng loại. Ví dụ, điện tích dương q1 bị ảnh hưởng bởi lực hút F31 lên điện tích âm q3 và lực đẩy F21 từ q2.

Lực F1 tác dụng lên q1 được xác định bằng phép cộng hình học của các vectơ F31 và F21. (F1=F31+F21).

Phương pháp tương tự được sử dụng để xác định các lực F2 và F3 tương ứng lên các điện tích q2 và q3.

Sử dụng nguyên lý chồng chất, người ta kết luận rằng đối với một số lượng điện tích nhất định trong một hệ kín, lực tĩnh điện ổn định tác dụng giữa tất cả các vật thể của nó và điện thế tại bất kỳ điểm cụ thể nào trong không gian này bằng tổng điện thế từ tất cả các vật thể. phí áp dụng riêng lẻ.

Hiệu lực của các định luật này được xác nhận bởi các thiết bị điện kế và điện kế được tạo ra, có nguyên lý hoạt động chung.

Một máy quang nghiệm điện bao gồm hai lưỡi lá mỏng giống hệt nhau được treo trong một không gian biệt lập bằng một sợi dẫn điện gắn vào một quả bóng kim loại. Ở trạng thái bình thường, điện tích không tác dụng lên quả bóng này nên các cánh hoa treo tự do trong khoảng trống bên trong bóng đèn của thiết bị.

Làm thế nào điện tích có thể được chuyển giao giữa các cơ thể?

Nếu bạn mang một vật tích điện, chẳng hạn như một cây gậy, vào quả cầu điện nghiệm, thì điện tích sẽ truyền qua quả bóng dọc theo một sợi dẫn điện đến cánh hoa. Chúng sẽ nhận được cùng một điện tích và bắt đầu di chuyển ra xa nhau một góc tỷ lệ thuận với lượng điện tác dụng.

Điện kế có cùng một thiết bị cơ bản, nhưng có một số khác biệt nhỏ: một cánh hoa được cố định vĩnh viễn và cánh hoa thứ hai kéo dài từ nó và được trang bị một mũi tên cho phép bạn đọc từ thang chia độ.

Để truyền điện tích từ một vật thể đứng yên và tích điện ở xa sang điện kế, bạn có thể sử dụng các sóng mang trung gian.

Các phép đo được thực hiện bằng điện kế không có cấp chính xác cao và trên cơ sở đó rất khó phân tích lực tác dụng giữa các điện tích. Cân xoắn Coulomb phù hợp hơn cho nghiên cứu của họ. Họ sử dụng những quả bóng có đường kính nhỏ hơn đáng kể so với khoảng cách giữa chúng với nhau. Chúng có đặc tính của điện tích điểm - vật tích điện, kích thước của chúng không ảnh hưởng đến độ chính xác của thiết bị.

Các phép đo do Coulomb thực hiện đã xác nhận phỏng đoán của ông rằng một điện tích điểm được truyền từ một vật tích điện sang một vật có cùng tính chất và khối lượng, nhưng không tích điện, theo cách được phân bố đều giữa chúng, giảm đi hệ số 2 tại thời điểm đó. nguồn. Bằng cách này, có thể giảm lượng điện tích xuống hai, ba hoặc nhiều lần.

Lực tồn tại giữa các điện tích đứng yên được gọi là Coulomb hay tương tác tĩnh. Chúng được nghiên cứu bằng tĩnh điện, một trong những nhánh của điện động lực học.

Các loại hạt mang điện

Khoa học hiện đại coi hạt tích điện âm nhỏ nhất là electron và positron là hạt tích điện dương nhỏ nhất. Chúng có cùng khối lượng 9,1·10-31 kg. Proton của hạt cơ bản chỉ có một điện tích dương và có khối lượng 1,7·10-27 kg. Trong tự nhiên, số lượng điện tích dương và âm được cân bằng.

Trong kim loại, sự chuyển động của các electron tạo ra và trong chất bán dẫn, chất mang điện tích của nó là electron và lỗ trống.

Trong chất khí, dòng điện được tạo ra bởi sự chuyển động của các ion - các hạt không cơ bản mang điện tích (nguyên tử hoặc phân tử) mang điện tích dương, gọi là cation hoặc điện tích âm - anion.

Các ion được hình thành từ các hạt trung tính.

Điện tích dương được tạo ra bởi một hạt bị mất electron dưới tác động của sự phóng điện mạnh, ánh sáng hoặc bức xạ phóng xạ, dòng gió, chuyển động của khối nước hoặc một số lý do khác.

Các ion âm được hình thành từ các hạt trung tính đã nhận thêm một electron.

Sử dụng ion hóa cho mục đích y tế và đời sống hàng ngày

Các nhà nghiên cứu từ lâu đã nhận thấy khả năng của các ion âm tác động đến cơ thể con người, cải thiện việc tiêu thụ oxy trong không khí, đưa oxy đến các mô và tế bào nhanh hơn, đồng thời đẩy nhanh quá trình oxy hóa serotonin. Tất cả điều này cùng nhau cải thiện đáng kể khả năng miễn dịch, cải thiện tâm trạng và giảm đau.

Máy ion hóa đầu tiên được sử dụng để điều trị cho con người được gọi là Đèn chùm Chizhevsky, để vinh danh nhà khoa học Liên Xô đã tạo ra một thiết bị có tác dụng tốt cho sức khỏe con người.

Trong các thiết bị điện gia dụng hiện đại, bạn có thể tìm thấy các chất ion hóa tích hợp trong máy hút bụi, máy tạo độ ẩm, máy sấy tóc, máy sấy...

Các máy ion hóa không khí đặc biệt làm sạch không khí và giảm lượng bụi cũng như các tạp chất có hại.

Máy ion hóa nước có thể làm giảm lượng thuốc thử hóa học trong thành phần của nó. Chúng được sử dụng để làm sạch bể bơi, ao hồ, làm bão hòa nước bằng các ion đồng hoặc bạc, làm giảm sự phát triển của tảo và tiêu diệt virus, vi khuẩn.

Sạc điện là đại lượng vật lý xác định cường độ tương tác điện từ. Tương tác điện từ là tương tác giữa các hạt hoặc vật tích điện.

Điện tích được chia thành tích cực và tiêu cực. Các hạt cơ bản ổn định có điện tích dương - proton Và positron, cũng như các ion của nguyên tử kim loại, v.v. Các hạt mang điện tích âm ổn định là điện tử Và phản proton.

Có những hạt không mang điện, tức là những hạt trung hòa: neutron, neutrino. Những hạt này không tham gia vào tương tác điện vì điện tích của chúng bằng không. Có những hạt không mang điện, nhưng điện tích không tồn tại nếu không có hạt.

Thủy tinh cọ xát với lụa xuất hiện điện tích dương. Ebonit cọ xát vào lông có điện tích âm. Các hạt đẩy nhau khi các điện tích cùng dấu ( tội danh cùng tên) và có dấu khác nhau ( không giống như phí) các hạt bị hút.

Mọi cơ thể đều được tạo thành từ các nguyên tử. Nguyên tử bao gồm một hạt nhân nguyên tử tích điện dương và các electron mang điện tích âm chuyển động xung quanh hạt nhân nguyên tử. Hạt nhân nguyên tử bao gồm các proton tích điện dương và các hạt trung tính - neutron. Các điện tích trong nguyên tử được phân bố sao cho toàn bộ nguyên tử là trung tính, nghĩa là tổng các điện tích dương và âm trong nguyên tử bằng không.

Electron và proton là một phần của bất kỳ chất nào và là những hạt cơ bản ổn định nhỏ nhất. Những hạt này có thể tồn tại ở trạng thái tự do trong thời gian không giới hạn. Điện tích của electron và proton được gọi là điện tích cơ bản.

Điện tích cơ bản- đây là điện tích tối thiểu mà tất cả các hạt cơ bản mang điện đều có. Điện tích của proton có giá trị tuyệt đối bằng điện tích của electron:

E = 1,6021892(46) * 10 -19 C

Lực tương tác giữa các điện tích đứng yên tỷ lệ thuận với tích của các mô đun điện tích và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng:

Lực tương tác tuân theo định luật thứ ba của Newton: Chúng là lực đẩy có cùng dấu điện tích và lực hút có dấu khác nhau (Hình 1.1.3). Sự tương tác của các điện tích đứng yên được gọi là tĩnh điện hoặc Coulomb sự tương tác. Nhánh điện động lực học nghiên cứu tương tác Coulomb được gọi là tĩnh điện .

Định luật Coulomb đúng đối với vật tích điện điểm. Trong thực tế, định luật Coulomb được thỏa mãn nếu kích thước của các vật tích điện nhỏ hơn nhiều so với khoảng cách giữa chúng.

Hệ số tỷ lệ k trong định luật Coulomb phụ thuộc vào việc lựa chọn hệ đơn vị. Trong hệ SI quốc tế, đơn vị điện tích được lấy là mặt dây chuyền(Cl).

mặt dây chuyền là điện tích chạy qua tiết diện dây dẫn trong 1 s với dòng điện 1 A. Đơn vị của cường độ dòng điện (ampe) trong SI cùng với đơn vị là chiều dài, thời gian và khối lượng đơn vị đo cơ bản.

hệ số k trong hệ SI nó thường được viết là:

Kinh nghiệm cho thấy lực tương tác Coulomb tuân theo nguyên lý chồng chất.

Giống như khái niệm khối lượng hấp dẫn của một vật trong cơ học Newton, khái niệm điện tích trong điện động lực học là khái niệm cơ bản, cơ bản.

Sạc điện là một đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất của các hạt hoặc vật thể tham gia vào các tương tác lực điện từ.

Điện tích thường được biểu thị bằng các chữ cái q hoặc Q.

Tổng thể của tất cả các dữ kiện thực nghiệm đã biết cho phép chúng ta rút ra các kết luận sau:

Có hai loại điện tích, thường được gọi là điện tích dương và điện tích âm.

Điện tích có thể được chuyển (ví dụ, bằng cách tiếp xúc trực tiếp) từ cơ thể này sang cơ thể khác. Không giống như khối lượng cơ thể, điện tích không phải là đặc tính không thể thiếu của một cơ thể nhất định. Cùng một cơ thể trong những điều kiện khác nhau có thể có điện tích khác nhau.

Các điện tích cùng loại thì đẩy nhau, các điện tích khác loại thì hút nhau. Điều này cũng cho thấy sự khác biệt cơ bản giữa lực điện từ và lực hấp dẫn. Lực hấp dẫn luôn là lực hấp dẫn.

Một trong những định luật cơ bản của tự nhiên là quy luật được thiết lập bằng thực nghiệm định luật bảo toàn điện tích .

Trong một hệ cô lập, tổng đại số điện tích của tất cả các vật thể không đổi:

q 1 + q 2 + q 3 + ... +qN= hằng số.

Định luật bảo toàn điện tích phát biểu rằng trong một hệ kín gồm các vật thể không thể quan sát được quá trình tạo ra hoặc biến mất các điện tích chỉ một dấu.

Theo quan điểm hiện đại, hạt mang điện là các hạt cơ bản. Tất cả các vật thể bình thường đều bao gồm các nguyên tử, bao gồm các proton tích điện dương, các electron tích điện âm và các hạt trung tính - neutron. Proton và neutron là một phần của hạt nhân nguyên tử, electron tạo thành vỏ electron của nguyên tử. Điện tích của proton và electron có độ lớn bằng nhau và bằng điện tích cơ bản e.

Trong một nguyên tử trung hòa, số proton ở hạt nhân bằng số electron ở lớp vỏ. Số này được gọi là số nguyên tử . Một nguyên tử của một chất nhất định có thể mất một hoặc nhiều electron hoặc nhận thêm một electron. Trong những trường hợp này, nguyên tử trung tính biến thành ion tích điện dương hoặc âm.

Điện tích chỉ có thể được truyền từ vật này sang vật khác theo những phần chứa một số nguyên điện tích cơ bản. Do đó, điện tích của một vật là một đại lượng rời rạc:

Các đại lượng vật lý chỉ có thể nhận một dãy giá trị rời rạc được gọi là lượng tử hóa . Điện tích cơ bản e là lượng tử (phần nhỏ nhất) của điện tích. Cần lưu ý rằng trong vật lý hiện đại về các hạt cơ bản, người ta giả định sự tồn tại của cái gọi là quark - các hạt có điện tích phân số và tuy nhiên, các quark vẫn chưa được quan sát thấy ở trạng thái tự do.

Trong các thí nghiệm thông thường trong phòng thí nghiệm, điện kế ( hoặc điện nghiệm) - một thiết bị gồm một thanh kim loại và một con trỏ có thể quay quanh một trục nằm ngang (Hình 1.1.1). Thanh mũi tên được cách ly khỏi thân kim loại. Khi một vật tích điện tiếp xúc với thanh điện kế, các điện tích cùng dấu sẽ được phân bố trên thanh và kim đo. Lực đẩy điện làm cho kim quay một góc nhất định, nhờ đó người ta có thể xác định được điện tích truyền vào que điện kế.

Điện kế là một dụng cụ khá thô sơ; nó không cho phép người ta nghiên cứu lực tương tác giữa các điện tích. Định luật tương tác của các điện tích đứng yên lần đầu tiên được phát hiện bởi nhà vật lý người Pháp Charles Coulomb vào năm 1785. Trong các thí nghiệm của mình, Coulomb đã đo lực hút và lực đẩy của các quả cầu tích điện bằng một thiết bị do ông thiết kế - cân xoắn (Hình 1.1.2) , được phân biệt bởi độ nhạy cực cao. Ví dụ, thanh cân bằng được quay 1° dưới tác dụng của một lực cỡ 10 -9 N.

Ý tưởng của các phép đo dựa trên phỏng đoán xuất sắc của Coulomb rằng nếu một quả bóng tích điện được tiếp xúc với cùng một quả bóng không tích điện, thì điện tích của quả bóng đầu tiên sẽ được chia đều cho chúng. Vì vậy, người ta đã chỉ ra một cách để thay đổi điện tích của quả bóng hai, ba lần, v.v. Trong các thí nghiệm của Coulomb, người ta đo được sự tương tác giữa các quả bóng có kích thước nhỏ hơn nhiều so với khoảng cách giữa chúng. Những vật tích điện như vậy thường được gọi là phí điểm.

Phí điểm được gọi là vật tích điện, kích thước của nó có thể bỏ qua trong điều kiện của bài toán này.

Dựa trên nhiều thí nghiệm, Coulomb đã thiết lập định luật sau:

Lực tương tác giữa các điện tích đứng yên tỷ lệ thuận với tích của các mô đun điện tích và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng:

Lực tương tác tuân theo định luật III Newton:

Chúng là lực đẩy có cùng dấu điện tích và lực hút có dấu khác nhau (Hình 1.1.3). Sự tương tác của các điện tích đứng yên được gọi là tĩnh điện hoặc Coulomb sự tương tác. Nhánh điện động lực học nghiên cứu tương tác Coulomb được gọi là tĩnh điện .

mặt dây chuyền là một điện tích truyền trong 1 s qua tiết diện của dây dẫn có cường độ dòng điện bằng 1 A. Đơn vị của dòng điện (Ampe) trong SI cùng với đơn vị là chiều dài, thời gian và khối lượng đơn vị đo cơ bản.

hệ số k trong hệ SI nó thường được viết là:

Ở đâu - hằng số điện .

Trong hệ SI, điện tích cơ bản e tương đương với:

Kinh nghiệm cho thấy lực tương tác Coulomb tuân theo nguyên lý chồng chất:

Nếu một vật tích điện tương tác đồng thời với một số vật tích điện thì lực tạo ra tác dụng lên một vật thể nhất định bằng tổng vectơ các lực tác dụng lên vật thể này từ tất cả các vật thể tích điện khác.

Cơm. 1.1.4 giải thích nguyên lý chồng chất bằng ví dụ về tương tác tĩnh điện của ba vật tích điện.

Nguyên lý chồng chất là một quy luật cơ bản của tự nhiên. Tuy nhiên, việc sử dụng nó đòi hỏi một số thận trọng khi chúng ta nói về sự tương tác của các vật tích điện có kích thước hữu hạn (ví dụ, hai quả bóng tích điện dẫn điện 1 và 2). Nếu đưa quả bóng tích điện thứ ba vào hệ gồm hai quả bóng tích điện thì tương tác giữa 1 và 2 sẽ thay đổi do phân phối lại phí.

Nguyên lý chồng chất phát biểu rằng khi phân phối phí nhất định (cố định) trên tất cả các vật thể, lực tương tác tĩnh điện giữa hai vật bất kỳ không phụ thuộc vào sự có mặt của các vật tích điện khác.

Bằng cách treo những quả bóng nhẹ bằng giấy bạc lên hai sợi dây và dùng một thanh thủy tinh cọ xát vào lụa chạm vào từng quả bóng, bạn có thể thấy rằng các quả bóng sẽ đẩy nhau. Sau đó, nếu bạn chạm vào một quả bóng bằng một thanh thủy tinh cọ xát trên lụa và quả bóng kia bằng một thanh ebonite cọ xát trên lông thú, các quả bóng sẽ hút nhau. Điều này có nghĩa là các thanh thủy tinh và ebonit khi cọ xát sẽ thu được phí của các dấu hiệu khác nhau , I E. tồn tại trong tự nhiên hai loại điện tích, mang dấu trái dấu: dương và âm. Chúng ta đồng ý cho rằng một thanh thủy tinh cọ xát trên lụa sẽ thu được nguồn điện dương , và một thanh gỗ ebonit cọ xát vào lông thú sẽ thu được điện tích âm .

Từ thí nghiệm được mô tả cũng suy ra rằng các vật tích điện tương tác với nhau. Sự tương tác của điện tích này được gọi là điện. trong đó tội danh cùng tên, những thứ kia. điện tích cùng dấu , đẩy nhau và các điện tích khác loại thì hút nhau.

Thiết bị hoạt động dựa trên hiện tượng lực đẩy của các vật tích điện giống nhau điện nghiệm- một thiết bị cho phép bạn xác định xem một cơ thể nhất định có được sạc hay không và điện kế, một thiết bị cho phép bạn ước tính giá trị của điện tích.

Nếu bạn chạm vào que của máy nghiệm điện có vật tích điện, các lá của máy nghiệm điện sẽ phân tán vì chúng sẽ mang điện tích cùng dấu. Điều tương tự sẽ xảy ra với kim của điện kế nếu bạn chạm vào thanh của nó với một vật tích điện. Trong trường hợp này, điện tích càng lớn thì góc lệch của mũi tên so với thanh càng lớn.

Từ các thí nghiệm đơn giản, có thể suy ra rằng lực tương tác giữa các vật tích điện có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn tùy thuộc vào độ lớn của điện tích thu được. Vì vậy, chúng ta có thể nói rằng điện tích một mặt đặc trưng cho khả năng tương tác điện của cơ thể, mặt khác là đại lượng quyết định cường độ của tương tác này.

Khoản phí được biểu thị bằng chữ cái q , lấy làm đơn vị điện tích mặt dây chuyền: [q ] = 1 Cl.

Nếu bạn chạm vào một điện kế bằng một que tích điện, sau đó nối điện kế này với một thanh kim loại với một điện kế khác thì điện tích trên điện kế thứ nhất sẽ được chia cho hai điện kế. Sau đó, bạn có thể kết nối điện kế với một số điện kế khác và điện tích sẽ được chia cho chúng. Như vậy điện tích có tính chất có thể chia hết . Giới hạn phân chia điện tích, tức là điện tích nhỏ nhất tồn tại trong tự nhiên là điện tích điện tử. Điện tích của electron âm và bằng 1,6*10 -19Cl. Bất kỳ điện tích nào khác là bội số của điện tích.

I. V. Ykovlev | Vật liệu vật lý | MathUs.ru

Điện động lực học

Sách hướng dẫn này được dành cho phần thứ ba “Điện động lực học” của Bộ mã hóa Kỳ thi Thống nhất về vật lý. Nó bao gồm các chủ đề sau.

Điện hóa các cơ quan. Tương tác của phí. Hai loại phí. Định luật bảo toàn điện tích. Định luật Cu lông.

Tác dụng của điện trường lên điện tích. Cường độ điện trường. Nguyên lý chồng chất của điện trường.

Tiềm năng trường tĩnh điện. Tiềm năng điện trường. Điện áp (chênh lệch tiềm năng).

Vật dẫn điện trong điện trường. Chất điện môi trong điện trường.

Công suất điện. Tụ điện. Năng lượng điện trường của tụ điện.

Dòng điện không đổi. Sức mạnh hiện tại. Vôn. Điện trở. Định luật Ohm cho một đoạn mạch.

Kết nối song song và nối tiếp của dây dẫn. Kết nối hỗn hợp của dây dẫn.

Công của dòng điện. Định luật Joule-Lenz. Cường độ dòng điện.

Lực điện động. Điện trở trong của nguồn hiện tại. Định luật Ohm cho mạch điện hoàn chỉnh.

Chất mang điện tích tự do trong kim loại, chất lỏng và chất khí.

Chất bán dẫn. Độ dẫn điện nội tại và tạp chất của chất bán dẫn.

Tương tác của nam châm. Từ trường của dây dẫn mang dòng điện. Công suất ampe. Lực Lorentz.

Hiện tượng cảm ứng điện từ. Từ thông. Định luật cảm ứng điện từ Faraday. Quy tắc Lenz.

Tự cảm ứng. Điện cảm. Năng lượng từ trường.

Dao động điện từ tự do. Mạch dao động. Dao động điện từ cưỡng bức. Cộng hưởng. Dao động điện từ hài hòa.

Dòng điện xoay chiều. Sản xuất, truyền tải và tiêu thụ năng lượng điện.

Trường điện từ.

Tính chất của sóng điện từ. Các loại bức xạ điện từ và ứng dụng của chúng.

Sách hướng dẫn này cũng chứa một số tài liệu bổ sung không có trong bộ mã hóa Kỳ thi Thống nhất (nhưng được đưa vào chương trình giảng dạy của trường!). Tài liệu này cho phép bạn hiểu rõ hơn về các chủ đề được đề cập.

1.2 Điện hóa cơ thể . . . . . . . 7

2.1 Nguyên lý chồng chất . 11

2.2 Định luật Coulomb trong điện môi . . 12

3.1 Tầm xa và tầm ngắn 13

3.2 Điện trường . . 13

3.3 Cường độ trường điện tích điểm 14

3.4 Nguyên lý chồng chất của điện trường . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.5 Trường của một mặt phẳng tích điện đều. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.6 Đường sức điện trường. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4.1 Lực lượng bảo thủ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.2 Tiềm năng trường tĩnh điện. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.3 Thế năng của một điện tích trong một trường đều. . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.6 Sự khác biệt tiềm năng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.7 Nguyên lý chồng chất của thế năng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.8 Trường đồng nhất: mối quan hệ giữa điện áp và cường độ. . . . . . . . . . . . . . . . 24

5.2 Sạc bên trong dây dẫn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6.1 Hằng số điện môi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

6.2 Điện môi cực. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

6.3 Chất điện môi không phân cực. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

7.1 Điện dung của một dây dẫn đơn độc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

7.2 Điện dung của tụ điện bản song song. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

7.3 Năng lượng của tụ điện tích điện. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

7.4 Năng lượng điện trường. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

8.1 Hướng của dòng điện. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

8.2 Tác dụng của dòng điện. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

8.5 Điện trường cố định. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Định luật 9 Ohm

9.1 Định luật Ohm cho đoạn mạch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

9.2 Điện trở. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

		Điện trở suất. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Kết nối dây dẫn
		Điện trở và dây dẫn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Kết nối nối tiếp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Kết nối song song. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Kết nối hỗn hợp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Công và dòng điện

11.1 Công việc hiện tại. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

11.2 Dòng điện. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

11.3 Định luật Joule-Lenz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

12.3 Hiệu suất mạch điện. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

12.4 Định luật Ohm cho diện tích không đồng nhất. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

13.1 Điện tử tự do. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

13.2 Thí nghiệm của Rikke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

14.1 sự phân ly điện phân. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

14.2 Độ dẫn ion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

14.3 Điện phân. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

15.1 Miễn phí tiền gas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

15.2 Xả không tự duy trì. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

16.1 Liên kết cộng hóa trị. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

16.2 Cấu trúc tinh thể của silicon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

16.3 Tự dẫn điện. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

16.4 Độ dẫn tạp chất. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

Tiếp giáp 16,5 p–n. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

17.1 Tương tác nam châm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

17.2 Đường sức từ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

17.5 Từ trường của cuộn dây có dòng điện. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

17.6 Từ trường của cuộn dây hiện tại. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

		Giả thuyết của Ampe. dòng điện sơ cấp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Một từ trường. Quyền hạn
		Lực Lorentz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Công suất ampe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Khung có dòng điện trong từ trường. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Cảm ứng điện từ
		Từ thông. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19.2 Sức điện động cảm ứng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

19.3 Định luật cảm ứng điện từ Faraday. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

19.4 Quy tắc Lenz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

19.7 Điện trường xoáy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

19.8 Lực điện động cảm ứng trong dây dẫn chuyển động. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

	Tự cảm ứng
		Điện cảm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
		Tương tự cơ điện. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Năng lượng từ trường. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
	Rung động điện từ
		Mạch dao động. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Sự biến đổi năng lượng trong mạch dao động. . . . . . . . . . . . . . .
		Tương tự cơ điện. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21.4 Định luật điều hòa dao động trong mạch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

21.5 Dao động điện từ cưỡng bức. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

	Dòng điện xoay chiều. 1
		Điều kiện gần như cố định. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Điện trở trong mạch điện xoay chiều. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
		Tụ điện trong mạch điện xoay chiều. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Cuộn dây trong mạch điện xoay chiều. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
	Dòng điện xoay chiều. 2
		Phương pháp góc phụ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Mạch dao động có điện trở. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Cộng hưởng trong mạch dao động. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Nguồn điện xoay chiều

24.1 Cường độ dòng điện qua điện trở. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

24.2 Cường độ dòng điện qua tụ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

24.3 Cường độ dòng điện qua cuộn dây. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

26.1 Giả thuyết của Maxwell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

26.2 Khái niệm trường điện từ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

27.1 Mạch dao động hở. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

27.2 Tính chất của sóng điện từ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

27.3 Mật độ thông lượng bức xạ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

27.4 Các loại bức xạ điện từ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

1 Sạc điện

Tương tác điện từ là một trong những tương tác cơ bản nhất trong tự nhiên. Lực đàn hồi và lực ma sát, áp suất của chất lỏng và chất khí, và nhiều lực khác có thể giảm xuống thành lực điện từ giữa các hạt vật chất. Bản thân các tương tác điện từ không còn bị quy giản thành các loại tương tác khác sâu hơn nữa.

Một loại tương tác cơ bản không kém là lực hấp dẫn – lực hấp dẫn của hai vật bất kỳ. Tuy nhiên, có một số khác biệt quan trọng giữa tương tác điện từ và tương tác hấp dẫn.

1. Không phải ai cũng có thể tham gia vào các tương tác điện từ mà chỉ những tương tác mang điện.

vật thể (có điện tích).

2. Tương tác hấp dẫn luôn là lực hút của vật này với vật khác. Tương tác điện từ có thể là lực hút hoặc lực đẩy.

3. Tương tác điện từ mạnh hơn nhiều so với tương tác hấp dẫn. Ví dụ, lực đẩy điện của hai electron là 10 42 lần lực hấp dẫn của chúng đối với nhau.

Mỗi vật tích điện có một lượng điện tích q nhất định. Điện tích là đại lượng vật lý quyết định cường độ tương tác điện từ giữa các vật thể tự nhiên. Đơn vị của điện tích là coulomb (C)1.

1.1 Hai loại phí

Vì tương tác hấp dẫn luôn là lực hút nên khối lượng của mọi vật đều không âm. Nhưng điều này không đúng với các khoản phí. Thật thuận tiện khi mô tả hai loại tương tác điện từ, lực hút và lực đẩy, bằng cách đưa ra hai loại điện tích: dương và âm.

Các điện tích khác dấu thì hút nhau, các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau. Điều này được minh họa trong hình. 1 ; Các quả bóng lơ lửng trên các sợi dây có điện tích dấu này hoặc dấu khác.

Cơm. 1. Tương tác giữa hai loại điện tích

Sự biểu hiện phổ biến của lực điện từ được giải thích là do nguyên tử của bất kỳ chất nào đều chứa các hạt tích điện: hạt nhân nguyên tử chứa các proton tích điện dương và các electron tích điện âm chuyển động theo quỹ đạo xung quanh hạt nhân. Điện tích của proton và electron có độ lớn bằng nhau và số lượng proton trong hạt nhân bằng số lượng electron trên quỹ đạo, và do đó hóa ra toàn bộ nguyên tử là trung hòa về điện. Đây là lý do tại sao trong điều kiện bình thường chúng ta không nhận thấy ảnh hưởng điện từ của người khác

1 Đơn vị sạc được xác định thông qua đơn vị hiện tại. 1 C là điện tích chạy qua tiết diện dây dẫn trong 1 s với dòng điện 1 A.

vật thể: tổng điện tích của mỗi vật thể bằng 0 và các hạt tích điện được phân bố đều trong thể tích của vật thể. Nhưng nếu tính trung hòa về điện bị vi phạm (ví dụ, do điện khí hóa), cơ thể ngay lập tức bắt đầu tác động lên các hạt tích điện xung quanh.

Hiện tại vẫn chưa biết tại sao có chính xác hai loại điện tích mà không phải loại điện tích nào khác. Chúng ta chỉ có thể khẳng định rằng việc chấp nhận thực tế này là cơ bản sẽ cung cấp một mô tả đầy đủ về tương tác điện từ.

Điện tích của proton là 1,6 10 19 C. Điện tích của electron trái dấu và bằng

1;6 10 19 Cl. Kích cỡ

e = 1;6 10 19 Cl

gọi là điện tích cơ bản. Đây là điện tích tối thiểu có thể có: các hạt tự do có điện tích nhỏ hơn không được phát hiện trong các thí nghiệm. Vật lý vẫn chưa thể giải thích tại sao thiên nhiên có điện tích nhỏ nhất và tại sao độ lớn của nó lại chính xác như vậy.

Điện tích của vật q bất kỳ luôn bao gồm một số nguyên điện tích cơ bản:

Nếu q< 0, то тело имеет избыточное количество N электронов (по сравнению с количеством протонов). Если же q >0 thì ngược lại vật thiếu electron: có thêm N proton.

1.2 Điện hóa cơ thể

Để một vật thể vĩ mô tác động điện lên các vật thể khác thì nó phải được nhiễm điện. Điện khí hóa là sự vi phạm tính trung hòa điện của cơ thể hoặc các bộ phận của nó. Kết quả của quá trình điện khí hóa là cơ thể có khả năng tương tác điện từ.

Một trong những cách để nhiễm điện cho một vật thể là truyền một điện tích cho nó, tức là đạt được lượng điện tích vượt quá cùng dấu trong một vật thể nhất định. Điều này rất dễ thực hiện bằng cách sử dụng ma sát.

Vì vậy, khi thanh thủy tinh cọ xát với lụa thì một phần điện tích âm của nó sẽ chuyển sang mảnh lụa. Kết quả là thanh gỗ nhiễm điện dương và mảnh lụa nhiễm điện âm. Nhưng khi cọ xát một que ebonite với len, một số điện tích âm được truyền từ len sang que: que nhiễm điện âm và len nhiễm điện dương.

Phương pháp truyền điện cho vật thể này được gọi là điện khí hóa bằng ma sát. Bạn gặp phải ma sát điện mỗi khi cởi áo len qua đầu ;-)

Một loại điện khí hóa khác được gọi là cảm ứng tĩnh điện, hay điện khí hóa do tác động. Trong trường hợp này, tổng điện tích của cơ thể vẫn bằng 0, nhưng được phân phối lại sao cho điện tích dương tích lũy ở một số bộ phận của cơ thể và điện tích âm ở những bộ phận khác.

Cơm. 2. Cảm ứng tĩnh điện

Chúng ta hãy nhìn vào hình. 2. Ở một khoảng cách nào đó so với vật kim loại có một điện tích dương q. Nó thu hút các điện tích kim loại âm (electron tự do), tích tụ trên các vùng bề mặt cơ thể gần điện tích nhất. Điện tích dương không được bù vẫn còn ở các khu vực xa.

Mặc dù thực tế là tổng điện tích của cơ thể kim loại vẫn bằng 0, nhưng sự phân tách điện tích trong không gian đã xảy ra trong cơ thể. Nếu bây giờ chúng ta chia cơ thể dọc theo đường chấm chấm thì nửa bên phải sẽ tích điện âm và nửa bên trái sẽ tích điện dương.

Bạn có thể quan sát quá trình điện khí hóa của cơ thể bằng máy quang điện. Một máy đo điện đơn giản được minh họa2 trong Hình 3.

Cơm. 3. Điện nghiệm

Điều gì xảy ra trong trường hợp này? Một que tích điện dương (ví dụ, đã được cọ xát trước đó) được đưa vào đĩa điện nghiệm và thu điện tích âm trên đó. Bên dưới, trên các lá chuyển động của điện nghiệm, vẫn còn các điện tích dương không bù; Đẩy nhau ra xa, những chiếc lá di chuyển theo những hướng khác nhau. Nếu bạn tháo cây gậy ra, các điện tích sẽ trở về vị trí ban đầu và những chiếc lá sẽ rơi trở lại.

Hiện tượng cảm ứng tĩnh điện trên quy mô lớn được quan sát thấy khi có giông bão. Trong bộ lễ phục. 4 chúng ta thấy một đám mây giông bay qua trái đất3.

Cơm. 4. Điện khí hóa trái đất bằng đám mây giông

Bên trong đám mây có những mảnh băng có kích thước khác nhau, bị trộn lẫn bởi các luồng không khí dâng cao, va chạm với nhau và trở nên nhiễm điện. Hóa ra điện tích âm tích tụ ở dưới cùng của đám mây và điện tích dương ở trên cùng.

Phần dưới tích điện âm của đám mây tạo ra các điện tích dương bên dưới nó trên bề mặt trái đất. Xuất hiện tụ điện khổng lồ với hiệu điện thế khổng lồ

2 Hình ảnh từ en.wikipedia.org.

3 Hình ảnh từ Elementy.ru.

giữa đám mây và mặt đất. Nếu điện áp này đủ để phá vỡ khe hở không khí thì hiện tượng phóng điện thông thường sẽ xảy ra.

1.3 Định luật bảo toàn điện tích

Chúng ta hãy quay lại ví dụ về hiện tượng nhiễm điện do ma sát bằng cách cọ xát một cây gậy với một miếng vải. Trong trường hợp này, cây gậy và mảnh vải thu được các điện tích có độ lớn bằng nhau và trái dấu. Tổng điện tích của chúng bằng 0 trước khi tương tác và vẫn bằng 0 sau tương tác.

Ở đây chúng ta thấy định luật bảo toàn điện tích phát biểu: trong một hệ kín của các vật thể, tổng đại số các điện tích không đổi trong bất kỳ quá trình nào xảy ra với các vật thể này:

q1 + q2 + : : : + qn = const:

Tính khép kín của một hệ các vật thể có nghĩa là các vật thể này chỉ có thể trao đổi điện tích với nhau chứ không thể trao đổi điện tích với bất kỳ vật thể nào khác bên ngoài hệ thống này.

Khi điện khí hóa một cây gậy, không có gì đáng ngạc nhiên về sự bảo toàn điện tích: số lượng hạt tích điện rời khỏi cây gậy cũng như số lượng hạt tích điện đến mảnh vải (hoặc ngược lại). Điều đáng ngạc nhiên là trong các quá trình phức tạp hơn, kèm theo sự biến đổi lẫn nhau của các hạt cơ bản và sự thay đổi số lượng hạt tích điện trong hệ, tổng điện tích vẫn được bảo toàn!

Ví dụ, trong hình. 5 cho thấy quá trình! e + e+, trong đó một phần bức xạ điện từ (gọi là photon) biến thành hai hạt mang điện tích electron e và positron e+. Quá trình như vậy hóa ra có thể thực hiện được trong những điều kiện nhất định, chẳng hạn như trong điện trường của hạt nhân nguyên tử.

Cơm. 5. Sự ra đời của cặp electron-positron

Điện tích của positron có độ lớn bằng điện tích của electron và trái dấu. Định luật bảo toàn điện tích được thoả mãn! Thật vậy, khi bắt đầu quá trình, chúng ta có một photon có điện tích bằng 0, và ở cuối quá trình, chúng ta có hai hạt có tổng điện tích bằng 0.

Định luật bảo toàn điện tích (cùng với sự tồn tại của điện tích cơ bản nhỏ nhất) là một thực tế khoa học cơ bản ngày nay. Các nhà vật lý vẫn chưa thể giải thích tại sao thiên nhiên lại hành xử theo cách này mà không phải cách khác. Chúng ta chỉ có thể tuyên bố rằng những sự thật này đã được xác nhận bằng nhiều thí nghiệm vật lý.