Đang tải... (xem toàn văn)
Hiện nay, các trang thiết bị điện tử đang trở thành một thành phần quan trọng trong cuộc sống hiện đại. Nhắc tới điện tử, người ta có thể hình dung tới những trang thiết bị thiết yếu của cuộc sống hàng ngày như cái đài, cái tivi...cho đến các sản phẩm có hàm lượng chất xám cao trong đó như các hệ thống máy vi tính, các hệ thống vệ tinh, các thiết bị điều khiển từ xa,... Có thể nói, điện tử đã dần chiếm lĩnh gần như toàn bộ các lĩnh vực của cuộc sống. Tuy nhiên có một điều cơ bản mà tất cả các trang thiết bị điện tử đều dựa trên sự phát triển từ những linh kiện cơ bản nhất như điện trở, tụ điện, cuộn cảm, điốt, transitor,... Đó chính là nền tảng phát triển của các linh kiện điện tử hiện nay cũng như các trang thiết bị hiện đại. Chính vì vậy trong phần này, tôi sẽ đề cập tới các khái niệm cơ bản nhất của điện tử bao gồm nói cụ thể về các linh kiện như tụ điện, cuộn cảm, điện trở, transitor ở khía cạnh thực tế ứng dụng. Nó sẽ thực sự hữu ích cho các bạn có thể hiểu và sử dụng các linh kiện này một cách thuần thục trong những ngày đầu bỡ ngỡ làm quen với lĩnh vực điện tử.
Điện Từ ======== Tham khảo: Raymond A. Serway, John W. Jewett, Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics, Ninth Edition, Brooks/Cole, USA, 2013 ******* Slide bài giảng này đi kèm theo lời giảng trên lớp. V. Q. Phong Ngày 9 tháng 4 năm 2014 2 Mục lục 1 Tĩnh điện 5 1.1 Tương tác tĩnh điện, định luật Coulomb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.1 Điện tích . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.2 Phân bố điện tích . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.3 Định luật Coulomb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.4 Nguyên lý chồng chất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.1.5 Bài tập ví dụ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2 Vectơ cường độ điện trường . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.1 Vector cường độ điện trường . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.2 Sự chồng chập vector cường độ điện trường . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.3 Bài tập ví dụ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3 Điện thông, định lý Gauss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.3.1 Điện thông . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.3.2 Định lý Gauss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3.3 Các ví dụ ứng dụng định lý Gauss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3.4 Cường độ điện trường gây ra bởi mặt phẳng tích điện đều rộng vô hạn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.3.5 Cường độ điện trường gây ra bởi hình trụ rỗng tích điện đều . . . . 15 1.4 Công của lực điện trường, điện thế, hiệu điện thế . . . . . . . . . . . . . . 15 1.4.1 Công của lực tĩnh điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.4.2 Điện thế, hiệu điện thế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2 Vật dẫn 19 2.1 Khái niệm về vật dẫn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2 Điều kiện cân bằng tĩnh điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.1 Điều kiện cân bằng tĩnh điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.2 Các tính chất của vật dẫn trong điều kiện cân bằng tĩnh điện . . . 19 2.3 Vật dẫn trong điện trường ngoài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3 4 MỤC LỤC 2.3.1 Điện hưởng 1 phần . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.3.2 Điện hưởng toàn phần . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.4 Điện dung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.4.1 Điện dung của tu điện phằng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.4.2 Điện dung của tụ điện trụ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4.3 Điện dung của tụ điện cầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.5 Năng lượng trường tĩnh điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3 Từ trường 25 3.1 Định luật Biot–Savart, cảm ứng từ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.1.1 Định luật Biot–Savart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.1.2 Các ví dụ tính cảm ứng từ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.2 Lực từ giữa 2 dây dẫn song song . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.3 Định luật Ampere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3.1 Định luật Ampere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3.2 Ví dụ áp dụng định luật Ampere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.4 Từ thông, định lý Gauss trong từ trường . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.4.1 Từ thông . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.4.2 Các ví dụ tính từ thông . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.4.3 Định lý Gauss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.5 Hạt mang điện chuyển động trong từ trường . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.6 Momen từ, công của lực từ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.6.1 Momen từ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.6.2 Công của lực từ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4 Cảm ứng điện từ 39 4.1 Các thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.2 Định luật Faraday, hiện tượng cảm ứng điện từ . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.3 Định luật Lenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.4 Cách tạo ra dòng điện xoay chiều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 5 Sóng điện từ 43 5.1 Các phương trình Maxwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5.1.1 Dòng điện dịch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5.2 Sự tạo ra sóng điện từ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5.3 Sự truyền sóng điện từ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.4 Năng lượng truyền sóng điện từ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Chương 1 Tĩnh điện 1.1 Tương tác tĩnh điện, định luật Coulomb 1.1.1 Điện tích Từ thế kỷ thứ 6 trước công nguyên, người ta đã phát hiện Hổ Phách cọ sát vào lông thú, có khả năng hút được các vật nhẹ. Cuối thế kỷ 16, Gilbert (người Anh) nghiên cứu chi tiết hơn nhiều chất khác như thủy tinh, lưu huỳnh, nhựa cây v v cũng có tính chất giống hổ phách và gọi những vật có khả năng hút được các vật khác sau khi cọ sát, là những vật nhiễm điện hay vật tích điện. Qui ước: • điện tích xuất hiện trên thanh thủy tinh khi cọ xát vào lụa là điện tích dương. • còn loại kia là điện tích âm. • Giữa các vật nhiễm điện có sự tương tác điện: cùng loại điện thì đẩy nhau, khác loại thì hút nhau. Như vậy có 2 loại điện tích, âm và dương. Điện tích của các vật bị nhiễm điện bằng số nguyên lần điện tích nguyên tố, e. Đơn vị của điện tích: • Đơn vị của điện tích là Coulomb (C), 1C = 1A.s • 1e = 1.60219 × 10 −19 C. • Electron có điện tích là −1e, proton có điện tích +1e. 5 6 CHƯƠNG 1. TĨNH ĐIỆN 1.1.2 Phân bố điện tích • Phân bố dài. Một thanh dài l, một chiều, có điện tích là Q, có phân bố điện tích đều, mật độ điện tích λ = Q l , hay λ = dQ dl • Phân bố mặt. Một mặt có diện tích S, hai chiều, có điện tích là Q, có phân bố điện tích đều,mật độ điện tích σ = Q S , hay σ = dQ dS • Phân bố khối. Một khối có thể tích V , ba chiều, có điện tích là Q, có phân bố điện tích đều, mật độ điện tích ρ = Q V hay ρ = dQ dV Trong đó, dQ là điện tích vi phân ứng với chiều dài vi phân dl, diện tích vi phân dS hoặc thể tích vi phân dV . 1.1.3 Định luật Coulomb Năm 1785, Coulomb (người Pháp), bằng thực nghiệm, đã tìm ra định luật về sự tương tác lực giữa hai điện tích đứng yên . Định luật Coulomb: Lực tương tác điện giữa hai điện tích điểm đứng yên tỉ lệ thuận với tích độ lớn các điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Nếu hai điện tích điểm q 1 và q 2 cách nhau một khoảng r, thì lực tương tác tĩnh điện có: • Độ lớn F = k e |q 1 ||.q 2 | r 2 . (1.1) • Phương của lực nằm trên đường thằng nối giữa hai điện tích điểm, điểm đặt tại các điện tích như hình minh họa bên dưới. F 12 = k e q 1 q 2 r 3 12 r 12 . (1.2) • Là lực hút nếu hai điện tích trái dấu, đẩy nếu 2 điện tích ngược dấu. Trong đó, k e là hằng số Coulomb. k e = 8.987 × 10 9 N.m 2 /C 2 ; k e = 1 4π 0 ; 0 = 8.854 × 10 −12 C 2 /N.m 2 1.1. TƯƠNG TÁC TĨNH ĐIỆN, ĐỊNH LUẬT COULOMB 7 1.1.4 Nguyên lý chồng chất Nội dung nguyên lí này như sau: "Lực tương tác giữa hai điện tích đứng yên không bị thay đổi do sự có mặt của các điện tích khác". Theo nguyên lí này, lực tác dụng của một hệ nhiều điện tích lên điện tích q được xác định bằng tổng hình học các lực riêng biệt do từng điện tích của hệ tác dụng lên q: F = F 1 + + F n . (1.3) 1.1.5 Bài tập ví dụ Cho ba điện tích đặt tại 3 đỉnh của một tam giác như hình vẽ. q 1 = q 2 = 5µC, q 2 = −2µC, a = 0.1m. Tìm tổng hợp lực tĩnh điện tác dụng lên điện tích q 3 . Chúng ta có: F 23 = k e |q 2 ||q 3 | a 2 = (8, 988 × 10 9 N.m 2 /C 2 ) 2 × 10 −6 C.5 ×10 −6 C (0.1m) 2 = 8.99N, (1.4) tương tự F 13 = k e |q 1 ||q 3 | ( √ 2a) 2 = (8, 988 × 10 9 N.m 2 /C 2 ) 5 × 10 −6 C.5 ×10 −6 C 2(0.1m) 2 = 11.2N. (1.5) Theo nguyên lý chồng chất, chúng ta có lực tĩnh điện tác dụng lên điện tích q 3 là F 3 = F 13 + F 23 , (1.6) Từ đây ta bình phương hai vế thì suy ra: F 2 3 = F 2 3 = F 2 13 + F 2 23 + 2 F 13 . F 23 . (1.7) Dùng tình chất nhân 2 vector, và góc giữa F 13 và F 2 3 là 135 0 , ta suy ra F 3 = F 2 13 + F 2 23 + 2F 13 .F 23 . cos 135 = (8.99) 2 + (11.2) 2 + 2(8.99.11.2) cos 135 = 7.99N. (1.8) 8 CHƯƠNG 1. TĨNH ĐIỆN 1.2 Vectơ cường độ điện trường 1.2.1 Vector cường độ điện trường Giả sử ta có một điện tích q thì cường độ điện trường tại điểm P cách q một khoảng r. Nếu ta đặt tại P một điện tích thử có giá trị q 0 > 0 thì lực điện trường của điện tích q tác dụng lên q 0 là F e F e = k e qq 0 r 3 r = Eq 0 . (1.9) Vì vậy nếu q 0 = 1, ta suy ra F e = E. Nên đặt trưng cho điện trường là cường đô điện trường. Cường độ điện trường của một điện tích tại một điểm có giá trị bằng lực tác dụng lên một đơn vị điện tích dương đặt tại điểm đó và có hướng là hướng của lực điện trường. Vì vậy ta có cường độ điện trường của một điện tích q tại một điểm cách nó r có độ lớn là E = k e |q| r 2 . (1.10) Lưu ý: • q dương: cường độ điện trường có hướng ra khỏi điện tích. • q âm thì: cường độ điện trường hướng vào điện tích 1.2.2 Sự chồng chập vector cường độ điện trường Nếu chúng ta có nhiều điện tích q i , thì cường độ điện trường tại một điểm P cách mỗi điện tích một khoảng cách r i thì cường độ điện trường tổng hợp tại P là sự chồng chấp 1.2. VECTƠ CƯỜNG ĐỘ ĐIỆN TRƯỜNG 9 vector cường độ điện trường của từng điện tích. E P = E 1 + E 2 + + E i . (1.11) 1.2.3 Bài tập ví dụ Ví dụ 1 Cho hệ điện tích như hình vẽ. Xác định cường độ điện trường tại điểm P, cách q 1 một khoảng r 1 , cách q 2 một khoảng r 2 . Chúng ta tính cường độ điện trường tại P gây ra do điện tích q 1 có độ lớn E 1 = k e |q 1 | r 2 1 = k e |q 1 | a 2 + y 2 . (1.12) Cường độ điện trường tại P gây ra do điện tích q 2 có độ lớn E 2 = k e |q 2 | r 2 2 = k e |q 2 | b 2 + y 2 . (1.13) Hướng của E 1 và E 2 như hình vẽ. Cường độ điện trường tổng hợp tại P là E = E 1 + E 2 (1.14) Mà góc giữa E 1 và E 2 là θ + φ nên E = E 2 1 + E 2 2 + 2E 1 .E 2 cos(θ + φ). (1.15) 10 CHƯƠNG 1. TĨNH ĐIỆN Ví dụ 2: Cường độ điện trường gây ra bởi thanh dài tích điện Cho một thanh dài l, có điện tích là q > 0. Tìm điện trường gây ra tại P như hình vẽ. Chúng ta hãy giả định thanh được nằm dọc theo trục x, dx là chiều dài của một phân đoạn nhỏ (chiều dài vi phân), và dq là điện tích vi phân trên phân khúc đó. Vì thanh có mật độ điện tích dài là λ, vì vậy dq = λdx. Chúng ta thấy rằng dx cách P một đoạn là x, và gọi cường độ điện trường gây ra bởi điện tích vi phân dq tại P là dE dE = k e dq x 2 = k e λdx x 2 . (1.16) Tất cả các dE có phương nằm trên trục x và hướng ra khỏi thanh. Cường độ điện trường tổng hợp tại P sẽ là tổng của tất cả các dE, vì vậy E = l+a a dE = l+a a k e λdx x 2 = k e q a(l + a) . (1.17) Ví dụ 3: Cường độ điện trường gây ra bởi một chiếc vòng tích điện đều Cho một chiếc vòng như hình vẽ bán kính a, tích điện đều q > 0, tìm cường độ điện trường tại P cách tâm một khoảng x. Trước tiên chúng ta thấy rằng do tính chất đối xứng nên các điểm (1) và (2), dE ⊥1 và dE ⊥2 sẽ ngược chiều nhau và triệt tiêu nhau. [...]... Tức là điện thế tại những điểm bên trong vật dẫn đều bằng nhau 2.3 Vật dẫn trong điện trường ngoài Hiện tượng vật dẫn trung hoà điện trở thành tích điện do ảnh hưởng của một vật mang điện, gọi là hiện tượng điện hưởng Người ta phân biệt hai trường hợp điện hưởng: điện hưởng 1 phần, và điện hưởng toàn phần 2.3.1 Điện hưởng 1 phần Đặt 1 vật dẫn A có điện tích q>0 gần 1 vật dẫn không mang điện B Các điện. .. tác điện với các vật khác) Ta tích cho vật đó một điện tích Q thì điện thế của vật đó sẽ bằng V Thực nghiệm chứng tỏ điện tích Q của vật dẫn cô lập tỷ lệ với điện thế V của nó: Q = C.V (2.3) trong đó C gọi là điện dung của vật dẫn - Ví dụ: tính điện dung của quả cầu rỗng bán kính R, điện tích là Q và tích điện đều Chúng ta biết rằng, điện thế tại những điểm bên trong quả cầu rỗng là như nhau và bằng điện. .. TĨNH ĐIỆN Chương 2 Vật dẫn 2.1 Khái niệm về vật dẫn Chúng ta chỉ xem xét các vật dẫn kim loại Chúng nó là những vật có những điện tích tự do Các điện tích này có thể chuyển động gần như tự do trong vật dẫn và có thể thoát khỏi vật dẫn khi có những kích thích thích hợp 2.2 2.2.1 Điều kiện cân bằng tĩnh điện Điều kiện cân bằng tĩnh điện - Bình thường khi chưa có điện trường E áp lên vật dẫn, các điện. .. trong vật dẫn chuyển động hổn loạn - Khi có điện trường E các điện tích này chuyển động theo 1 chiều nhất định của điện trường E Và điện tích trong vật dẫn phan bố lại Sự phân bố này tạo ra một điện trường khác trong vật dẫn chống lại điện trường ngoài E Điểu kiện cân bằng tĩnh điện: Tổng điện trường bên trong một vật dẫn bằng không 2.2.2 Các tính chất của vật dẫn trong điều kiện cân bằng tĩnh điện. .. chúng ta chỉ cần tính điện thế tại tâm quả cầu là V như sau ke Q ke dq dq = (2.4) V = dV = ke = R R R Chúng ta có C = Q ,nên V suy ra C= R = 4π R ke (2.5) 2.4 ĐIỆN DUNG 21 - Điện dung của tụ điện: Tụ điện là một vật có 2 bản, tích điện trái dấu Nếu hai bản tụ có điện thế lần lượt là V1 và V2 thì điện dung của tụ điện là C= 2.4.1 Q V1 − V2 (2.6) Điện dung của tu điện phằng Tụ điện phẳng có hai bản tụ... N I l Từ thông, định lý Gauss trong từ trường Từ thông Từ thông của một từ trường có cảm ứng từ B, qua một mặt S được định nghĩa như sau ΦB = BdA (3.33) 34 CHƯƠNG 3 TỪ TRƯỜNG 3.4.2 Các ví dụ tính từ thông Tính từ thông của cảm ứng từ B được sinh ra bởi dây dẫn dài vô hạn tác dụng lên hình vuông kín có hai cạnh là a, b như hình sau: Trước tiên chúng ta có cảm ứng từ sinh ra bởi dây mang dòng điện I... trong vật dẫn đều bằng nhau và bằng Vi = V vật dẫn tích điện là Q Ta chia vật dẫn thành các điện tích điểm có điện tích là ∆q Như vậy năng lượng của vật dẫn chính là năng lượng tương tác tĩnh điện của các ∆q với nhau Vì vậy theo công thức tính We ta suy ra năng lượng vật dẫn như sau We = 1 2 ∆qi Vi = V i 1 2 ∆qi = i qV 2 (2.20) - Năng lượng của tụ điện Hai bản tụ có điện thế là V1 và V2 , có điện tích... tích trong vật dẫn B sẽ sắp xếp lại sao cho Đầu gần vật dẫn A sẽ bị mang 1 điện tích là −q , đầu kia của vật dẫn B sẽ có điện tích là +q (đương nhiên là tổng điện tích trong B luôn bằng 0 như ban đầu) Nếu q < q thì hiện tượng này là điện hưởng 1 phần 2.3.2 Điện hưởng toàn phần Nếu q = q thì hiện tượng này gọi là điện hưởng toàn phần 2.4 Điện dung Giả sử có một vật dẫn cô lập (nghĩa là một vật không... cân bằng tĩnh điện - Theo định lý Gauss, chúng ta có E dA = q/ 0 , (2.1) Do điều kiện cân bằng tĩnh điện nên E = 0, vì vậy ta suy ra tổng điện tích bên trong vật dẫn là q = 0 Vì vậy chúng ta có 1 kết luận quan trọng, một vật dẫn tích điện thì điện tích chỉ phân bố chủ yếu ở bề mặt của vật dẫn 19 20 CHƯƠNG 2 VẬT DẪN - Trong chương 1 chúng ta có mối liên hệ giữa điện thế và điện trường như sau: V1 − V2... = q (1.28) (1.29) 0 Định lý Gauss: Điện thông qua một bề mặt kín bất kì bằng q , với q là tổng điện tích bên trong bề mặt kín 1.3.3 Các ví dụ ứng dụng định lý Gauss Tìm cường độ điện trường bởi quả cầu đặc tích điện Cho một quả cầu tích điện Q, bán kính là a Tìm cường độ điện trường tại những điểm cách tâm một khoảng cách r > a và r < a 14 CHƯƠNG 1 TĨNH ĐIỆN Áp dụng định lý Gauss, chúng ta có ΦE = . F.ds. cos(θ) = 1 4π q. q 0 r 2 ds cos(θ), (1.38) vì vậy dW = 1 4π q. q 0 r 2 dr, (1.39) cho nên công toàn W = (B) (A) dW = r 2 r 1 1 4π q. q 0 r 2 dr = 1 4π q. q 0 r 1 − q. q 0 r 2 dr. (1.40) 16. = E dA = q int . (1.30) • Nếu r > a: E dA = q int hay E.4πr 2 = Q nên E = k e Q r 2 • Nếu r < a: thì q int = ρ.(4/3πr 3 ) = Qr 3 a 3 nên E = Q. r 3 a 3 .4πr 2 = k e Q. r a 3 . (1.31) 1.3.4. q thì cường độ điện trường tại điểm P cách q một khoảng r. Nếu ta đặt tại P một điện tích thử có giá trị q 0 > 0 thì lực điện trường của điện tích q tác dụng lên q 0 là F e F e = k e qq 0 r 3 r