Bài giảng Vật lý đại cương 2: Chương 4 - PGS. TS Nguyễn Thành Vấn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:61

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Vật lý đại cương 2: Chương 4 Từ trường tĩnh trong chân không, được biên soạn với mục tiêu nhằm giúp sinh viên hiểu được các khái niệm cơ bản về từ trường tĩnh; Nắm được các định luật cơ bản về sự tương tác từ; Vận dụng giải các bài toán cụ thể về từ trường, lực từ, năng lượng từ, chuyển động của hạt mang điện.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Vật lý đại cương 2: Chương 4 - PGS. TS Nguyễn Thành Vấn

om .c CHƯƠNG 4 ng co an TỪ TRƯỜNG TĨNH th ng o du TRONG CHÂN KHÔNG u cu CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Chương 4: TỪ TRƯỜNG TĨNH TRONG CHÂN KHÔNG Nội dung om • Tương tác từ • Tác dụng của từ trường lên mạch điện kín. .c • Từ trường • Công của lực từ ng • Định lý Ampere co • Từ trường của một hạt • Định luật Ampere an điện chuyển động th Chuẩn đầu ra o ng du • Hiểu được các khái niệm cơ bản về từ trường tĩnh. u cu • Nắm được các định luật cơ bản về sự tương tác từ. • Vận dụng giải các bài toán cụ thể về từ trường, lực từ, năng lượng từ, chuyển động của hạt mang điện. 2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
PHẦN A DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI om .c ng 4A.1. DÒNG ĐIỆN, MẬT ĐỘ DÒNG ĐIỆN co an 4A.1.1. Dòng điện: dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện. th ng 4A.2.2. Cường độ dòng điện: Đặc trưng định lượng của dòng o du điện là độ lớn của điện tích chuyển qua một diện tích trong một đơn vị thời gian. Chiều dòng điện là chiều chuyển động của các u cu hạt mang điện. dq I dt CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
4A.3.3. Vectơ mật độ dòng điện: véctơ mật độ dòng điện tại mỗi điểm có độ lớn bằng cường độ dòng dI chuyển qua yếu tố diện tích dSn đặt vuông góc với hướng chuyển động của các hạt mang điện om tại điểm đó. .c dI j ng dS n co Hướng của j là hướng chuyển động của các hạt mang điện tích an dương. Khi biết được véctơ mật độ dòng tại mỗi một điểm trong th không gian, ta có thể tìm được cường độ dòng điệnqua một diện ng tích bất kỳ:   o I   j.dS du u cu S ⇒ Dòng điện có cường độ không thay đổi theo thời gian được gọi là dòng dừng, còn dòng điện có hướng và cường độ không đổi gọi là dòng không đổi (dòng điện một chiều). CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
4A.2. PHƯƠNG TRÌNH LIÊN TỤC Tưởng tượng có diện tích S nằm trong   môi trường có dòng điện chạy qua. j j Trong đơn vị thời gian điện tích thoát om khỏi thể tích v được bao bởi S (thông .c lượng của j ) là:   S  j.dS S ng Hình 4A.1: Hình 4A.2: co S   dq  j.dS   dt an Định luật bảo toàn điện tích: th S ng     A.dS   divAdv o Công thức Ostrogradsky – Gauss: du S v u dq cu j.dS jdv dt t dv Trong đó: q   dv S v v v v bất kỳ nên: j Được gọi là phương trình liên tục t CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
4A.3. LỰC LẠ VÀ SỨC ĐIỆN ĐỘNG om .c Xét hai vật dẫn 1 và 2: vật 1 mang điện dương và điện thế V1, vật 2 mang điện âm có ng điện thế V2. Do đó V1 > V2 nên có điện trường hướng từ 1 sang 2. co Nối 1 và 2 bằng dây dẫn M: các điện tích dương chuyển động từ 1 sang 2 và các điện an tích âm chuyển động từ 2 sang 1. Kết quả là trong dây M xuất hiện dòng điện, điện thế th V1 giảm dần và điện thế V2 tăng dần, cuối cùng V1 = V2 , dòng điện triệt tiêu. ng Để duy trì dòng điện ta phải thiết lập một hiệu điện thế V1V2 giữa 1 và 2. Muốn vậy, o du cần phải đưa các điện tích dương từ 2 trở về 1 (hay các điện tích âm từ 1 về 2). Nhưng dưới tác dụng của điện trường tĩnh gây bởi hai vật 1 và 2, sự dịch chuyển này không u thể xảy ra. Để thắng được lực cản của điện trường tĩnh nói trên, ta phải tác dụng lên cu các điện tích một lực về bản chất không phải là lực tĩnh điện. Lực này gọi là lực lạ Trường tạo ra lực lạ gọi là trường lạ: * * F  qE CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Công mà lực lạ thực hiện để đưa điện tích q từ điểm 1 đến điểm 2: om 2 2   .c A12  F* .d  q E* .d ng 1 1 co Đại lượng đặc trưng cho độ mạnh của nguồn điện được gọi là sức điện động an của nguồn điện và kí hiệu là , là công để làm dịch chuyển một đơn vị điện tích dương dọc theo mạch điện. th o ng *  du 2    E .d  A12 12   E* .d  hoặc u q cu 1 C CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
4A.4. ĐỊNH LUẬT OHM – ĐIỆN TRỞ CỦA VẬT DẪN Định luật Ohm: Cường độ dòng điện I chạy trong dây dẫn kim loại đồng nhất tỉ lệ với hiệu số điện thế hai đầu dây U: om U .c I ng R co R là điện trở của dây dẫn, phụ thuộc vào hình dạng, kích thước và tính an chất của kim loại tạo nên dây dẫn.  th ng Dây dẫn hình trụ đồng nhất: R   o S du Với  (m): độ dài dây dẫn; S (m2): tiết diện dây dẫn; ρ (Ωm): điện trở u cu suất. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
4A.4. ĐỊNH LUẬT OHM – ĐIỆN TRỞ CỦA VẬT DẪN Định luật Ohm dưới dạng vi phân d dS j Trong dây dẫn đồng nhất, sự chuyển động có om E hướng của các hạt mang điện dọc theo hướng .c của véctơ E và do đó hướng của E và j trùng Với σ (S/m): đại ng nhau. Tưởng tượng tại lân cận điểm cần nghiên lượng nghịch co cứu trong dây dẫn ta lấy ra một hình trụ có các đảo của ρ, được an đường sinh song song với E có chiều dài bằng gọi là độ dẫn th d và có tiết diện đáy bằng dS. Như vậy ta có điện của vật liệu ng dòng jdS chạy qua tiết diện đáy của hình trụ. làm nên dây dẫn. o Hiệu điện thế của hai đáy hình trụ là Ed. Sử du dụng định luật Ohm cho hình trụ dây dẫn này ta u cu có: U dS 1 1 I   jdS  Ed  j E  j  E  E R d   CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
4A.4. ĐỊNH LUẬT OHM – ĐIỆN TRỞ CỦA VẬT DẪN Trong trường hợp trên đoạn mạch có lực lạ:   om j   E  E* .c Cường độ dòng trong đoạn mạch được xác định: ng co V1  V2  12 an I th R ng Điện trở suất ρ là đại lượng đặc trưng cho tính dẫn điện của vật liệu tạo o du nên dây dẫn. Với tuyệt đại đa số kim loại, ρ tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối: u cu   o 1    T  To  Với To = 293 K = 20oC;   α là hệ số nhiệt của điện trở suất. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
4A.5. NĂNG LƯỢNG VÀ CÔNG SUẤT CỦA MẠCH ĐIỆN, ĐỊNH LUẬT JOULE - LENZ Năng lượng và công suất của dòng điện om  Khảo sát một đoạn mạch có dòng dừng có hiệu điện thế giữa hai .c đầu mạch bằng U. Điện tích q = It trong khoảng thời gian t chạy ng qua mỗi tiết diện của dây dẫn. Điều đó có nghĩa là một điện tích It co trong khoảng thời gian t được chuyển từ đầu này đến đầu kia của an dây dẫn. Như vậy, lực tĩnh điện và lực lạ đã thực hiện một công: th A  Uq  UIt o ng  Chia A cho thời gian thực hiện công t ta thu được công suất của du dòng điện trong mạch điện u P  UI  (V1  V2 )I  12 I cu  Trong trường hợp không có lực lạ: U2 P UI RI2 R CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
4A.5. NĂNG LƯỢNG VÀ CÔNG SUẤT CỦA MẠCH ĐIỆN, ĐỊNH LUẬT JOULE - LENZ Định luật Joule – Lenz om  Khi có dòng điện I chạy trong dây dẫn sẽ có một lượng nhiệt sau .c đây được giải phóng: ng Định luật Joule –Lenz co Q UIt RI2 t an  Nếu dòng điện thay đổi theo thời gian thì lượng nhiệt được giải th phóng sau thời gian t được biểu diễn bằng công thức: ng t o Q   RI 2dt du 0 u cu  Theo định luật Joule –Lenz, khi có dòng I, sau thời gian dt, lượng nhiệt sau đây sẽ được giải phóng: d dQ  RI dt  2 ( jdS) 2 dt  j2dvdt (Dạng vi phân) dS CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
4A.6. CÁC ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFF Định luật về các nút om .c  Điểm nút là điểm tại đó có ít nhất ba đoạn dây dẫn gặp nhau. ng co  Theo định luật bảo toàn điện tích, trong cùng thời gian tổng các an cường độ dòng điện tới một nút phải bằng tổng các cường độ th dòng điện đi ra khỏi nút đó. Nếu quy ước cường độ dòng điện tới ng nút mang dấu (+), cường độ dòng điện đi khỏi nút mạng mang o du dấu (), một cách tổng quát ta có thể viết: u cu n  ( I )  0 k 1 k Tổng đại số tất cả các cường độ dòng điện tại một nút bằng không. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
4A.6. CÁC ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFF Định luật vòng mạng om  Vòng mạng là vòng kín do các đoạn .c mạch tạo thành trên hình, ABCA, ACDA, ABCDA là các vòng mạng. ng co  Xét vòng mạng ABCDA của mạng điện an hình 4A.7, ta chọn một chiều đi tùy ý th (đường chấm chấm) trên vòng mạng ng này như hình vẽ: o du VA  VB  VB  VC  VC  VD  VD  VA  0 u VA  VB  I1R 1  1 cu VB  VC   I 4 R 4  Theo định luật Ohm tổng quát: VC  VD  R 3I3  3 CuuDuongThanCong.com VD  VA  R 2 I 2   2 https://fb.com/tailieudientucntt
4A.6. CÁC ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFF Định luật vòng mạng om  Suy ra: .c I1R 1  I 2 R 2  I3R 3  ( I 4 )R 4  ( 1 )  (  2 )  3  0 ng  Nếu ta quy ước: co  Sức điện động mang dấu (+) nếu chiều đi đã chọn trên an vòng mạng xuyên vào cực dương của nguồn điện và th mang dấu ( ) nếu chiều đi đã chọn xuyên vào cực âm ng của nguồn điện. o du  Cường độ dòng điện mang dấu (+) nếu nó cùng chiều với chiều đã chọn và mang dấu ( ) nếu nó ngược chiều u cu với chiều đã chọn, thì khi đó (4A.26) được viết một cách tổng quát như sau: n n  ( )  R k 1 k k '1 k' (  I k )  0 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
4A.7. TỤ ĐIỆN NẠP ĐIỆN VÀ PHÓNG ĐIỆN Nạp điện vào tụ điện om  Gọi V = VA  VB là hiệu thế của tụ điện .c và q là điện tích của nó ở thời điểm t. Ở ng thời điểm t + dt điện tích của tụ điện là co q1 = q + δq, do đó trong thời gian dt điện tích của tụ điện đã biến thiên một an lượng dq = q1 – q = δq. Do vậy, dòng điện có cường độ i được tạo ra: th o ng dq du i dq dt u dt Suy ra  cu dq q q  C RC Mà   Ri  V  R  dt C CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
4A.7. TỤ ĐIỆN NẠP ĐIỆN VÀ PHÓNG ĐIỆN Nạp điện vào tụ điện om q  C t Lấy tích phân hai vế  .c Ln A RC ng co A là hằng số tích phân được xác định bằng điều kiện ban đầu. Khi an t = 0, q = 0 thì A = Cε. th Do đó: q  C(1  e t /RC ) ng o Suy ra: du q V   (1  e  t /RC ) u  Hiệu thế V của tụ điện là: cu C  Cường độ tức thời i: dq   t /RC i  e dt R CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
4A.7. TỤ ĐIỆN NẠP ĐIỆN VÀ PHÓNG ĐIỆN Tụ điện phóng điện R K om 1 .c  Bật khóa K từ vị trí 1 qua vị trí 2. Chọn 0 2 thời điểm 0 là lúc khóa K vừa khép vào ng + A ɛ vị trí 2. Trong thời gian từ t đến t + dt ++++++ co - R’ i ------ B một điện tích âm – δq gồm những điện an tử di chuyển từ B qua A xuyên qua điện th trở R’ và tạo ra dòng điện có cường độ i. Hình 4A.10 o ng  Ở thời điểm t + dt, điện tích của tụ điện là q1 = q – dq, do đó trong du thời gian dt, điện tích của tụ điện đã biến thiên một lượng dq = q1 – u cu q = –δq q dq Vậy: i  dt dt CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
4A.7. TỤ ĐIỆN NẠP ĐIỆN VÀ PHÓNG ĐIỆN Tụ điện phóng điện om q dq V  R i  R ' .c Mà nên: C dt ng co Tính tích phân bằng phương pháp phân ly biến số, ta được: an q  Ce t /R 'C th ng Suy ra: o du q  Hiệu thế của tụ điện là: V   e  t /R 'C u C cu dq   t /R 'C  Cường độ dòng điện i qua tụ điện: i  e dt R ' CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
PHẦN B TỪ TRƯỜNG TĨNH TRONG CHÂN KHÔNG om .c 4B.1. TƯƠNG TÁC TỪ ng co  Năm 1820, nhà vật lý người Đan an Mạch Hans Oersted làm thí nghiệm th về dòng điện và phát hiện sự lệch ng của kim nam châm ở gần dây dẫn o có dòng điện chạy qua. du  Ngược lại, khi đưa nam châm lại u gần cuộn dây có dòng điện thì nam cu châm sẽ hút hoặc đẩy cuộn dây tùy theo chiều dòng điện trong cuộn Hans Oersted (1777-1851) dây. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt