Công thức vật lý 11 chương 1: điện tích, điện trường

$F=\frac{k\left|q_1.q_2\right|}{\epsilon .r^2}$

Phát biểu: Lực hút hay đẩy giữa hai điện tích điểm đặt trong các môi trường có phương trùng với đường thẳng nối hai điện tích điểm đó, có độ lớn tỉ lệ thuận với tích độ lớn của hai điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.

Trong chân không, $\epsilon$=1.

Chú thích:

$k$: hệ số tỉ lệ $9.{10}^9$ $\frac{N.m^2}{C^2}$

$q_1, q_2$: điện tích của hai điện tích điểm ($C$: Coulomb)

$r$: khoảng cách giữa hai điện tích điểm ($m$)

$\epsilon$: hằng số điện môi - đặc trưng cho khả năng dẫn điện hoặc cách điện của môi trường

$q_1.q_2>0$: hai điện tích cùng dấu đẩy nhau, giá trị F>0.

$q_1.q_2<0$: hai điện tích trái dấu hút nhau, giá trị F<0.

Hình vẽ:

$e>p: (-)$

$e<p: (+)$

Phát biểu: Thuyết electron

- Một vật nhiễm điện âm khi số electron mà nó chứa lớn hơn số điện tích nguyên tố dương ( proton ). Nếu số electron ít hơn số proton thì vật nhiễm điện dương.

- Electron có thể rời khỏi nguyên tử và di chuyển từ nơi này đến nơi khác.

+ Nguyên tử mất electron trở thành ion dương. VD: Nguyên tử Natri mất một electron sẽ trở thành ion $N{a}^{+}$.

+ Nguyên tử trung hòa nhận thêm electron sẽ trở thành ion âm. VD: Nguyên tử Clo nhận thêm một electron sẽ trở thành icon $C{l}^{-}$.

Vận dụng:

- Có thể dùng thuyết electron để giải thích ba hiện tượng nhiễm điện.

+ Nhiễm điện do cọ xát:

Cọ xát thước nhựa với mảnh vải khô, các electron của mảnh nhựa sẽ dịch chuyển sang mảnh vải khô do đó thước nhựa nhiễm điện âm. Các vụn giấy nhỏ không mang điện nên khi đưa thước nhựa lại gần các vụn giấy, chúng bị hút lên.

Bụi bám vào quạt: Cánh quạt quay sẽ cọ xát với không khí, khiến bản thân chúng bị nhiễm điện và hút bụi.

+ Nhiễm điện do tiếp xúc: Thanh kim loại trung hòa về điện tiếp xúc với quả cầu nhiễm điện thì có sự dịch chuyển điện tích từ quả cầu sang thanh kim loại => thanh kim loại nhiễm điện cùng dấu với quả cầu.

+ Nhiễm điện do hưởng ứng: Thanh kim loại trung hòa điện đặt gần quả cầu nhiễm điện thì các electron tự do trong thanh kim loại dịch chuyển. Đầu thanh kim loại xa với quả cầu sẽ nhiễm điện cùng dấu với quả cầu, đầu thanh gần hơn thì nhiễm điện trái dấu với quả cầu.

$p=e$

Phát biểu:

- Nguyên tử có cấu tạo gồm một hạt nhân mang điện dương nằm ở trung tâm và các electron mang điện âm chuyển động xung quanh.

- Hạt nhân gồm: hạt notron không mang điện và hạt proton mang điện dương.

- Số proton = số electron ( $p=e$ ) nên nguyên tử trung hòa về điện.

Chú ý:

Điện tích electron: $q_e=-1,6.{10}^{-19}C$và khối lượng electron: $m_e=9,1.{10}^{-31}kg$

Điện tích proton: $q_p=1,6.{10}^{-19}C$và khối lượng proton: $m_p=1,67.{10}^{-27}kg$

Điện tích notron: $q_n=0$ và khối lượng notron: $m_n\approx m_p$

$\overrightarrow{E}=\frac{\overrightarrow{F}}{q}$

Phát biểu: 

Vector cường độ điện trường $\overrightarrow{E}$ có:

- Phương và chiều trùng với phương và chiều của lực điện tác dụng lên điện tích thử $q$ dương.

- Chiều dài (module) biểu diễn độ lớn của cường độ điện trường theo một tỉ xích nào đó.

$E=\frac{F}{q}=\frac{k.\left|Q\right|}{\epsilon .r^2}$

Phát biểu: Độ lớn của cường độ điện trường $E$ không phụ thuộc vào độ lớn của điện tích thử $q$.

Chú thích:

$E$: cường độ điện trường ($V/m$)

$F$: độ lớn lực điện tác dụng vào điện tích thử $q$ ($N$)

$q$: độ lớn điện tích thử $q$ ($C)$

$k$: hệ số tỉ lệ $9.{19}^{9 }$$\frac{N.m^2}{C^2}$

$Q$: điện tích tác dụng ($C)$

$\epsilon$: hằng số điện môi

$r$: khoảng cách từ điện tích điểm tác dụng đến điểm đang xét ($m)$

$\overrightarrow{E}=\overrightarrow{E_1}+\overrightarrow{E_2}$

Phát biểu:

- Các điện trường $\overrightarrow{E_1}$, $\overrightarrow{E_2}$ đồng thời tác dụng lực điện lên điện tích $q$ một cách độc lập với nhau và điện tích q chịu tác dụng của điện trường tổng hợp $\overrightarrow{E}$.

- Các vector cường độ điện trường tại một điểm được tổng hợp theo quy tắc hình bình hành.

Vận dụng:

- $\overrightarrow{E_1} \uparrow \uparrow \overrightarrow{ E_2}$ => $E=E_1+E_2$

- $\overrightarrow{E_1} \uparrow \downarrow \overrightarrow{E_2}$ => $E= \left|E_1-E_2\right|$

- $\overrightarrow{E_1} \perp \overrightarrow{ E_2}$ => $E=\sqrt{{E_1}^2+{E_2}^2}$

- $\overrightarrow{E_1} và \overrightarrow{E_2}$ tạo thành một góc $\alpha$ => $E=\sqrt{{E_1}^2+{E_2}^2+2E_1{E}_2.\cos \alpha }$

$E=\frac{F}{q}$

Khái niệm:

- Cường độ điện trường $E$ tại một điểm là đại lượng đặc trưng cho tác dụng lực của điện trường tại điểm đó. Nó được xác định bằng thương số của độ lớn lực điện $F$ tác dụng lên một điện tích thử $q$ (dương) đặt tại điểm đó và độ lớn của $q$.

Chú thích:

$E$: cường độ điện trường $(V/m, N/C)$

$F$: độ lớn lực điện $\left(N\right)$

$q$: độ lớn của điện tích thử $\left(C\right)$

$\overrightarrow{F}=q.\overrightarrow{E}$

Phát biểu: Đặt điện tích $q$ dương $(q>0)$ tại một điểm M trong điện trường đều, nó sẽ chịu tác dụng của một lực điện $F$.

Lực $F$ là lực không đổi, có phương song song với các đường sức điện, chiều hướng từ bản dương sang bản âm, độ lớn bằng $qE$.

$A_{MN}=qEd$

Phát biểu: Công của lực điện trong sự di chuyển của điện tích trong điện trường đều trừ M đến N là $A_{MN}=qEd$, không phụ thuộc vào hình dạng của đường đi mà chỉ phụ thuộc vào vị trí của điểm đầu M và điểm cuối N của đường đi.

Chú thích:

$A_{MN}$: công của lực điện dịch chuyển điện tích từ M đến N $\left(J\right)$

$q$: điện tích dịch chuyển $\left(C\right)$

$E$: cường độ điện trường $(V/m)$

$d=\overline{MH}$ là độ dài đại số, với M là hình chiếu của điểm đầu đường đi, H là hình chiếu của điểm cuối đường đi trên một đường sức $\left(m\right)$

Công thức liên hệ:

$A_{MN}=\overrightarrow{F}.\overrightarrow{s}=Fs\cos \alpha$

Với $F=qE$ và $s\cos \alpha =d$, $\alpha =(\overrightarrow{E},\overrightarrow{s})$

$A_{M\infty }=W_M=V_{M}q$

Phát biểu: Vì độ lớn của lực điện luôn tỉ lệ thuận với điện tích thử $q$ nên thế năng của điện tích tại M cũng tỉ lệ thuận với $q$.

Chú thích:

$A_{M\infty }$: công của lực điện khi di chuyển $q$ từ M ra vô cực $\left(J\right)$

$W_M$: thế năng của điện tích $q$ tại M $\left(J\right)$

$V_M$: điện thế tại điểm M $\left(V\right)$

$q$: độ lớn của điện tích $\left(C\right)$

$A_{MN}=W_M-W_N$

Phát biểu: Độ biến thiên thế năng của điện tích chuyển động dọc theo các đường sức trong điện trường bằng công của lực điện tác dụng lên điện tích đó.

Chú thích:

$A_{MN}$: công của lực điện dịch chuyển điện tích $q$ từ M đến N $\left(J\right)$

$W_M, W_N$: thế năng của điện tích $q$ tại M và N $\left(J\right)$

Lưu ý: 

Nếu $∆W>0$ => $W_M>W_N$ (biến thiên thế năng điện tích giảm) =>$A_{MN}>0$.

Nếu $∆W<0$ => $W_M<W_N$ (biến thiên thế năng điện tích tăng) => $A_{MN}<0$.

$V_M=\frac{W_M}{q}=\frac{A_{M\infty }}{q}$

Phát biểu: Điện thế tại một điểm M trong điện trường là đại lượng đặc trưng riêng cho điện trường về phương diện tạo ra thế năng khi đặt tại đó một điện tích $q$. Nó được xác định bằng thương số của công của lực điện tác dụng lên $q$ khi $q$ di chuyển từ M ra vô cực và độ lớn của $q$.

Chú thích:

$V_M$: điện thế của điện tích $q$ tại điểm M $\left(V\right)$

$A_{M\infty }$: công dịch chuyển điện tích $q$ từ điểm M ra vô cực $\left(J\right)$

$q$: độ lớn của điện tích $\left(C\right)$

Đơn vị tính: Volt (V).

$U_{MN}=V_M-V_N=\frac{A_{MN}}{q}$

Phát biểu: Hiệu điện thế giữa hai điểm M, N trong điện trường đặc trưng cho khả năng sinh công của điện trường trong sự di chuyển của một điện tích từ M đến N. Nó được xác định bằng thương số của công của lực điện tác dụng lên điện tích $q$ trong sự di chuyển từ M đến N và độ lớn của $q$.

Chú thích:

$U_{MN}$: hiệu điện thế giữa hai điểm M và N $\left(V\right)$

$V_M,V_N$: điện thế của điện tích tại M và N $\left(V\right)$

$A_{MN}$: công của lực điện tác dụng lên điện tích $q$ trong sự di chuyển từ M đến N $\left(J\right)$

$q$: độ lớn của điện tích $\left(C\right)$

$E=\frac{U_{MN}}{d}=\frac{U}{d}$

Công thức này cho thấy tại sao ta lại dùng đơn vị của cường độ điện trường là $V/m$.

Chú thích:

$E$: cường độ điện trường $(V/m)$

$U_{MN}$: hiệu điện thế giữa hai điểm M và N $\left(V\right)$

$d=\overline{MN}$ $\left(m\right)$

$W=\frac{Q^2}{2C}=\frac{C{U}^2}{2}$

Khái niệm: Khi tụ điện tích điện thì điện trường trong tụ điện sẽ dự trữ một năng lượng. Đó là năng lượng điện trường.

Chú thích:

$W$: năng lượng điện trường $\left(J\right)$

$Q$: điện tích của tụ điện $\left(C\right)$

$C$: điện dung của tụ điện $\left(F\right)$

$U$: hiệu điện thế giữa hai bản tụ $\left(V\right)$

$C=\frac{Q}{U}$

Khái niệm: Điện dung $C$ của tụ điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện ở một hiệu điện thế nhất định. Nó được xác định bằng thương số của điện tích $Q$ của tụ điện và hiệu điện thế $U$ giữa hai bản của nó.

Chú thích:

$C$: điện dung của tụ điện $\left(F\right)$

$Q$: điện tích tụ điện $\left(C\right)$

$U$: hiệu điện thế giữa hai bản tụ $\left(V\right)$

Đơn vị điện dung: Các tụ điện thường dùng chỉ có điện dung từ ${10}^{-12}F$ đến ${10}^{-6 }F$.

- 1 microfarad (kí hiệu là $\mu F$) =$1.{10}^{-6}F$

- 1 nanofarad (kí hiệu là $nF$) =$1.{10}^{-9}F$

- 1 picofarad (kí hiệu là $pF$) = $1.{10}^{-12}F$

Các loại tụ điện phổ biến.

$C_{td}=C_1+C_2+.....+C_n$

Chú thích:

$C$: điện dung của tụ điện $\left(F\right)$

$Q$: điện tích tụ điện $\left(C\right)$

$U$: hiệu điện thế giữa hai bản tụ $\left(V\right)$

Lưu ý thêm:

- Trong trường hợp tất cả cả tụ điện đều giống nhau thì $C_{td}=n.C$.

- Cách ghép song song làm tăng điện dung của tụ điện phẳng, điện dung tương đương luôn lớn hơn từng điện dung thành phần.

$\frac{1}{C_{td}}=\frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_2}+.....+\frac{1}{C_n}$

Chú thích:

$C$: điện dung của tụ điện $\left(F\right)$

$Q$: điện tích tụ điện $\left(C\right)$

$U$: hiệu điện thế giữa hai bản tụ $\left(V\right)$

Lưu ý thêm:

- Cách ghép nối tiếp làm giảm điện dung tương tương của bộ tụ xuống. Điện dung tương đương luôn nhỏ hơn từng điện dung thành phần.

- Khi ghép nối tiếp nếu tất cả các tụ đều giống nhau thì $C_{tđ}=\frac{C}{n}$.

- Trong trường hợp chỉ có duy nhất 2 tụ ghéo nối tiếp thì $C_{tđ}=\frac{C_1.C_2}{C_1+C_2}$