Skip to content · ⁨Bỏ qua nội dung⁩

Electric Force, Field, and Potential · ⁨Lực điện, điện trường và điện thế⁩

AP Physics 2 · ⁨AP Vật lý 2⁩ · Topic 10 · ⁨Chủ đề 10⁩

Video lesson for this topic · ⁨Bài học video cho chủ đề này⁩ Open the video page · ⁨Mở trang video⁩
8:05

Lực điện, điện trường và điện thế

Một đám mây sấm sét là một nhà máy tạo điện tích. Các tinh thể băng va chạm bên trong nó, và electron tích tụ ở đáy đám mây. Mặt đất bên dưới trở nên dương. Không có gì…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨Giọng đọc tiếng Anh · phụ đề tiếng Anh + 中文 được ghi trực tiếp⁩

10.1

Electric Charge and Electric Force · ⁨Điện Tích và Lực điện⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 10.1.A: Describe the electric force that results from the interactions between charged objects or systems.

  • 10.1.A.1 Charge is a fundamental property of all matter.
    • 10.1.A.1.i Charge is described as positive or negative.
    • 10.1.A.1.ii The magnitude of the charge of a single electron or proton, the elementary charge $e$, can be considered to be the smallest indivisible amount of charge.
    • 10.1.A.1.iii The charge of an electron is $-e$, the charge of a proton is $+e$, and a neutron has no electric charge.
    • 10.1.A.1.iv A point charge is a model in which the physical size of a charged object or system is negligible in the context of the situation being analyzed.
  • 10.1.A.2 Coulomb's law describes the electrostatic force between two charged objects as directly proportional to the magnitude of each of the charges and inversely proportional to the square of the distance between the objects.
    • Equation: $\left|\vec{F}_E\right| = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\dfrac{\left|q_1 q_2\right|}{r^2} = k\dfrac{\left|q_1 q_2\right|}{r^2}$
  • 10.1.A.3 The direction of the electrostatic force depends on the signs of the charges of the interacting objects and is parallel to the line of separation between the objects.
    • 10.1.A.3.i Two objects with charges of the same sign exert repulsive forces on each other.
    • 10.1.A.3.ii Two objects with charges of opposite signs exert attractive forces on each other.
  • 10.1.A.4 Electric forces are responsible for some of the macroscopic properties of objects in everyday experiences. However, the large number of particle interactions that occur make it more convenient to treat everyday forces in terms of nonfundamental forces called contact forces, such as normal force, friction, and tension.

Learning Objective 10.1.B: Describe the electric and gravitational forces that result from interactions between charged objects with mass.

  • 10.1.B.1 Electrostatic forces can be attractive or repulsive, while gravitational forces are always attractive.
  • 10.1.B.2 For any two objects that have mass and electric charge, the magnitude of the gravitational force is usually much smaller than the magnitude of the electrostatic force.
  • 10.1.B.3 Gravitational forces dominate at larger scales even though they are weaker than electrostatic forces, because systems at large scales tend to be electrically neutral.

Learning Objective 10.1.C: Describe the electric permittivity of a material or medium.

  • 10.1.C.1 Electric permittivity is a measurement of the degree to which a material or medium is polarized in the presence of an electric field.
  • 10.1.C.2 Electric polarization can be modeled as the induced rearrangement of electrons by an external electric field, resulting in a separation of positive and negative charges within a material or medium.
  • 10.1.C.3 Free space has a constant value of electric permittivity, $\varepsilon_0$, that appears in physical relationships.
  • 10.1.C.4 The permittivity of matter has a value different from that of free space that arises from the matter's composition and arrangement.
    • 10.1.C.4.i In a given material, electric permittivity is determined by the ease with which electrons can change configurations within the material.
    • 10.1.C.4.ii Conductors are made from electrically conducting materials in which charge carriers move easily; insulators are made from electrically nonconducting materials in which charge carriers cannot move easily.

Boundary statement: AP Physics 2 only expects students to make calculations of the electric force between four or fewer interacting charged objects or systems. The analysis of the resulting electric force from more charges is allowed in situations of high symmetry.

Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 10.1.A: Mô tả lực điện phát sinh từ các tương tác giữa các vật hoặc hệ mang điện.

  • 10.1.A.1 Điện tích là một tính chất cơ bản của mọi vật chất.
    • 10.1.A.1.i Điện tích được mô tả là dương hoặc âm.
    • 10.1.A.1.ii Độ lớn điện tích của một electron hay proton đơn lẻ, điện tích nguyên tố $e$, có thể được xem là lượng điện tích nhỏ nhất không thể chia nhỏ được.
    • 10.1.A.1.iii Điện tích của electron là $-e$, điện tích của proton là $+e$, và neutron không mang điện tích.
    • 10.1.A.1.iv Điện tích điểm là một mô hình trong đó kích thước vật lý của một vật hoặc hệ mang điện là không đáng kể trong bối cảnh tình huống đang được phân tích.
  • 10.1.A.2 Định luật Coulomb mô tả lực tĩnh điện giữa hai vật mang điện trực tiếp tỉ lệ thuận với độ lớn của mỗi điện tích và inversly tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa các vật.
    • Phương trình: $\left|\vec{F}_E\right| = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\dfrac{\left|q_1 q_2\right|}{r^2} = k\dfrac{\left|q_1 q_2\right|}{r^2}$
  • 10.1.A.3 Hướng của lực tĩnh điện phụ thuộc vào dấu của các điện tích các vật tương tác và song song với đường nối giữa các vật.
    • 10.1.A.3.i Hai vật mang điện cùng dấu sẽ tác dụng lên nhau các lực đẩy.
    • 10.1.A.3.ii Hai vật mang điện trái dấu sẽ tác dụng lên nhau các lực hút.
  • 10.1.A.4 Các lực điện chịu trách nhiệm cho một số tính chất vĩ mô của các vật trong trải nghiệm hàng ngày. Tuy nhiên, số lượng lớn các tương tác hạt xảy ra khiến việc xử lý các lực hàng ngày dưới dạng các lực phi cơ bản gọi là lực tiếp xúc, như lực pháp tuyến, lực ma sát và lực căng dây, trở nên thuận tiện hơn.

Mục tiêu học tập 10.1.B: Mô tả các lực điện và lực hấp dẫn phát sinh từ tương tác giữa các vật mang điện có khối lượng.

  • 10.1.B.1 Các lực tĩnh điện có thể là lực hút hoặc lực đẩy, trong khi các lực hấp dẫn luôn là lực hút.
  • 10.1.B.2 Đối với bất kỳ hai vật thể nào có khối lượng và điện tích, độ lớn của lực hấp dẫn thường nhỏ hơn nhiều so với độ lớn của lực tĩnh điện.
  • 10.1.B.3 Lực hấp dẫn chiếm ưu thế ở quy mô lớn mặc dù nó yếu hơn lực tĩnh điện, vì các hệ ở quy mô lớn thường trung hòa về mặt điện.

Mục tiêu học tập 10.1.C: Mô tả hằng số điện môi của một vật liệu hay môi trường.

  • 10.1.C.1 Hằng số điện môi là đại lượng đo lường mức độ mà một vật liệu hay môi trường bị phân cực trong sự hiện diện của một điện trường.
  • 10.1.C.2 Sự phân cực điện có thể được mô hình hóa như sự sắp xếp lại electron do điện trường bên ngoài gây ra, dẫn đến sự tách biệt giữa các điện tích dương và âm bên trong vật liệu hay môi trường.
  • 10.1.C.3 Không gian tự do có một giá trị không đổi của hằng số điện môi, $\varepsilon_0$, xuất hiện trong các mối liên hệ vật lý.
  • 10.1.C.4 Hằng số điện môi của vật chất có giá trị khác với không gian tự do phát sinh từ thành phần và cấu trúc của vật chất đó.
    • 10.1.C.4.i Trong một vật liệu nhất định, hằng số điện môi được xác định bởi mức độ dễ dàng mà các electron có thể thay đổi cấu hình bên trong vật liệu.
    • 10.1.C.4.ii Chất dẫn điện được làm từ các vật liệu dẫn điện nơi các hạt tải điện di chuyển dễ dàng; chất cách điện được làm từ các vật liệu không dẫn điện nơi các hạt tải điện không thể di chuyển dễ dàng.

Tuyên bố giới hạn: AP Physics 2 chỉ yêu cầu học sinh thực hiện tính toán lực điện giữa bốn hoặc ít hơn các vật thể hoặc hệ thống mang điện tương tác. Phân tích lực điện thu được từ nhiều điện tích hơn được phép trong các tình huống có tính đối xứng cao.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English

Electric charge 电荷 is a fundamental property of matter, and it comes in two kinds, positive and negative; like charges repel and opposite charges attract. Charge is conserved and quantized (a multiple of the elementary charge $e$). The force between two point charges is Coulomb's law 库仑定律:

$$F=\frac{k q_1 q_2}{r^2},$$
directed along the line joining them – an inverse-square law like gravity, but it can push or pull.

The constant $k$ hides a property of the medium: the permittivity 介电常数. Free space has a fixed permittivity of free space $\varepsilon_0$ (with $k = 1/4\pi\varepsilon_0$), while the permittivity of matter differs from $\varepsilon_0$, depending on the material's composition and arrangement - which is why a material between two charges changes the force. Note also that although the electric force is vastly stronger than gravity, gravity dominates at large scales, because large objects are usually electrically neutral (equal + and −), leaving only gravity to act.

Worked example. Two point charges, $+3.0\ \mu\text{C}$ and $-2.0\ \mu\text{C}$, sit $0.10\ \text{m}$ apart ($k=9.0\times10^{9}$). The force between them is

$$F=\frac{k q_1 q_2}{r^2}=\frac{9.0\times10^{9}\times(3.0\times10^{-6})(2.0\times10^{-6})}{(0.10)^2}=5.4\ \text{N},$$
attractive, because the charges have opposite signs. (Use the magnitudes for the size and decide the direction from the signs.)

Tiếng Việt

Điện tích là một tính chất cơ bản của vật chất, tồn tại dưới hai loại, dương và âm; các điện tích cùng dấu đẩy nhau và các điện tích trái dấu hút nhau. Điện tích được bảo toàn và lượng tử hóa (là bội số của điện tích nguyên tố $e$). Lực giữa hai điện tích điểm tuân theo định luật Coulomb:

$$F=\frac{k q_1 q_2}{r^2},$$
có phương dọc theo đường nối chúng – một định luật nghịch bình phương như trọng lực, nhưng nó có thể đẩy hoặc kéo.

Hằng số $k$ ẩn chứa một tính chất của môi trường: điện dung. Chân không có điện dung chân không cố định $\varepsilon_0$ (với $k = 1/4\pi\varepsilon_0$), trong khi điện dung của vật chất khác với $\varepsilon_0$, phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc của vật liệu - đó là lý do tại sao một vật liệu đặt giữa hai điện tích sẽ làm thay đổi lực tác dụng. Lưu ý rằng mặc dù lực điện mạnh hơn rất nhiều so với lực hấp dẫn, hấp dẫn chiếm ưu thế ở quy mô lớn, vì các vật thể lớn thường mang điện trung hòa (bằng + và −), chỉ còn lại lực hấp dẫn tác dụng.

Ví dụ minh họa. Hai điện tích điểm, $+3.0\ \mu\text{C}$ và $-2.0\ \mu\text{C}$, nằm cách nhau $0.10\ \text{m}$ ($k=9.0\times10^{9}$). Lực giữa chúng là

$$F=\frac{k q_1 q_2}{r^2}=\frac{9.0\times10^{9}\times(3.0\times10^{-6})(2.0\times10^{-6})}{(0.10)^2}=5.4\ \text{N},$$
hút, vì các điện tích có dấu ngược nhau. (Sử dụng giá trị tuyệt đối để tính độ lớn và quyết định hướng dựa trên dấu.)

Một người chạm tay vào máy phát Van de Graaff với mái tóc dựng đứng
Các điện tích cùng loại đẩy nhau: mỗi sợi tóc đều mang cùng một loại điện tích từ máy phát Van de Graaff, nên chúng đẩy nhau
10.2

The Process of Charging · ⁨Quá trình Tích điện⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 10.2.A: Describe the behavior of a system using conservation of charge.

  • 10.2.A.1 The net charge or charge distribution of a system can change in response to the presence of, or changes in, the net charge or charge distribution of other systems.
    • 10.2.A.1.i The net charge of a system can change due to friction or contact between systems.
    • 10.2.A.1.ii Induced charge separation occurs when the electrostatic force between two systems alters the distribution of charges within the systems, resulting in the polarization of one or both systems.
    • 10.2.A.1.iii Induced charge separation can occur in neutral systems.
  • 10.2.A.2 Any change to a system's net charge is due to a transfer of charge between the system and its surroundings.
    • 10.2.A.2.i The charging of a system typically involves the transfer of electrons to and from the system.
    • 10.2.A.2.ii The net charge of a system will be constant unless there is a transfer of charge to or from the system.
  • 10.2.A.3 Grounding involves electrically connecting a charged system to a much larger and approximately neutral system (e.g., Earth).
Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 10.2.A: Mô tả hành vi của một hệ sử dụng nguyên lý bảo toàn điện tích.

  • 10.2.A.1 Điện tích tổng hợp hay phân bố điện tích của một hệ có thể thay đổi do sự hiện diện của, hoặc sự thay đổi trong, điện tích tổng hợp hay phân bố điện tích của các hệ khác.
    • 10.2.A.1.i Điện tích tổng hợp của một hệ có thể thay đổi do ma sát hoặc tiếp xúc giữa các hệ.
    • 10.2.A.1.ii Sự phân tách điện tích cảm ứng xảy ra khi lực tĩnh điện giữa hai hệ làm thay đổi phân bố các điện tích bên trong các hệ, dẫn đến sự phân cực của một hoặc cả hai hệ.
    • 10.2.A.1.iii Sự phân tách điện tích cảm ứng có thể xảy ra trong các hệ trung hòa.
  • 10.2.A.2 Mọi sự thay đổi đối với điện tích tổng hợp của một hệ đều do sự chuyển giao điện tích giữa hệ và môi trường xung quanh.
    • 10.2.A.2.i Việc tích điện cho một hệ thường bao gồm sự chuyển giao electron vào và ra khỏi hệ.
    • 10.2.A.2.ii Điện tích tổng hợp của một hệ sẽ không đổi trừ khi có sự chuyển giao điện tích vào hoặc ra khỏi hệ.
  • 10.2.A.3 Nối đất bao gồm việc nối điện một hệ mang điện với một hệ lớn hơn nhiều và xấp xỉ trung hòa (ví dụ: Trái Đất).

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English

Objects charge by moving electrons. A conductor 导体 lets charge move freely; an insulator 绝缘体 holds it in place. Three methods:

  • Friction: rubbing transfers electrons.
  • Conduction 接触起电: touching shares charge.
  • Induction 感应起电: a nearby charge rearranges charge in a neutral object, which can then be grounded to leave it charged.
Tiếng Việt

Vật tích điện bằng cách di chuyển electron. Vật dẫn cho phép điện tích di chuyển tự do; vật cách điện giữ điện tích cố định tại chỗ. Ba phương pháp:

  • Ma sát: cọ xát chuyển electrons.
  • Dẫn điện: chạm vào chia sẻ điện tích.
  • Cảm ứng: một điện tích gần đó sắp xếp lại điện tích trong một vật trung hòa, sau đó có thể nối đất để giữ lại điện tích.
Explore · ⁨Khám phá⁩

Charge an object by rubbing · ⁨Tích điện cho vật bằng cách cọ xát⁩

Rubbing transfers electrons from one surface to another, leaving one positively and one negatively charged. Like charges repel, opposite charges attract. · ⁨Cọ xát chuyển electron từ bề mặt này sang bề mặt khác, khiến một vật mang điện dương và một vật mang điện âm. Các điện tích cùng dấu đẩy nhau, trái dấu hút nhau.⁩

10.3

Electric Fields · ⁨Điện Trường⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 10.3.A: Describe the electric field produced by a charged object or configuration of point charges.

  • 10.3.A.1 Electric fields may originate from charged objects.
  • 10.3.A.2 The electric field at a given point is the ratio of the electric force exerted on a test charge at that point to the charge of the test charge.
    • Equation: $\vec{E} = \dfrac{\vec{F}_E}{q}$
    • 10.3.A.2.i A test charge is a point charge of small enough magnitude such that its presence does not significantly affect an electric field in its vicinity.
    • 10.3.A.2.ii An electric field points away from isolated positive charges and toward isolated negative charges.
    • 10.3.A.2.iii The electric force exerted on a positive test charge by an electric field is in the same direction as the electric field.
  • 10.3.A.3 The electric field is a vector quantity and can be represented in space using vector field maps.
    • 10.3.A.3.i The net electric field at a given location is the vector sum of individual electric fields created by nearby charged objects.
    • 10.3.A.3.ii Electric field maps use vectors to depict the magnitude and direction of the electric field at many locations within a given region.
    • 10.3.A.3.iii Electric field line diagrams are simplified models of electric field maps and can be used to determine the relative magnitude and direction of the electric field at any position in the diagram.

Learning Objective 10.3.B: Describe the electric field generated by charged conductors or insulators.

  • 10.3.B.1 While in electrostatic equilibrium, the excess charge of a solid conductor is distributed on the surface of the conductor, and the electric field within the conductor is zero.
    • 10.3.B.1.i At the surface of a charged conductor, the electric field is perpendicular to the surface.
    • 10.3.B.1.ii The electric field outside an isolated sphere with spherically symmetric charge distribution is the same as the electric field due to a point charge with the same net charge as the sphere located at the center of the sphere.
  • 10.3.B.2 While in electrostatic equilibrium, the excess charge of an insulator is distributed throughout the interior of the insulator as well as at the surface, and the electric field within the insulator may have a nonzero value.

Boundary statement: AP Physics 2 only expects students to make calculations of the electric field resulting from four or fewer charged objects or systems. Analysis of the electric field resulting from more charges is allowed in situations of high symmetry. Students will only be expected to perform qualitative analysis of electric fields within insulators.

Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 10.3.A: Mô tả điện trường tạo ra bởi một vật thể mang điện hoặc cấu hình các điện tích điểm.

  • 10.3.A.1 Điện trường có thể bắt nguồn từ các vật thể mang điện.
  • 10.3.A.2 Điện trường tại một điểm cho trước là tỷ số giữa lực điện tác dụng lên một điện tích thử tại điểm đó và điện tích của điện tích thử.
    • Phương trình: $\vec{E} = \dfrac{\vec{F}_E}{q}$
    • 10.3.A.2.i Điện tích thử là một điện tích điểm có độ lớn đủ nhỏ sao cho sự hiện diện của nó không ảnh hưởng đáng kể đến điện trường trong vùng lân cận.
    • 10.3.A.2.ii Điện trường hướng ra xa các điện tích dương đơn lẻ và hướng về phía các điện tích âm đơn lẻ.
    • 10.3.A.2.iii Lực điện tác dụng lên một điện tích thử dương do điện trường gây ra cùng hướng với điện trường.
  • 10.3.A.3 Điện trường là một đại lượng vectơ và có thể được biểu diễn trong không gian bằng các bản đồ trường vectơ.
    • 10.3.A.3.i Điện trường tổng hợp tại một vị trí cho trước là tổng vectơ của các điện trường riêng lẻ tạo ra bởi các vật thể mang điện gần đó.
    • 10.3.A.3.ii Bản đồ điện trường sử dụng các vectơ để mô tả độ lớn và hướng của điện trường tại nhiều vị trí trong một vùng cho trước.
    • 10.3.A.3.iii Sơ đồ đường sức điện là các mô hình rút gọn của bản đồ điện trường và có thể được sử dụng để xác định độ lớn tương đối và hướng của điện trường tại bất kỳ vị trí nào trong sơ đồ.

Mục tiêu học tập 10.3.B: Mô tả điện trường tạo ra bởi các vật dẫn mang điện hoặc vật cách điện.

  • 10.3.B.1 Khi ở trạng thái cân bằng tĩnh điện, điện tích dư thừa của một vật dẫn đặc được phân bố trên bề mặt của vật dẫn, và điện trường bên trong vật dẫn bằng không.
    • 10.3.B.1.i Tại bề mặt của vật dẫn mang điện, điện trường vuông góc với bề mặt.
    • 10.3.B.1.ii Điện trường bên ngoài một quả cầu đơn lẻ có phân bố điện tích đối xứng cầu giống hệt điện trường do một điện tích điểm mang cùng điện tích tổng hợp đặt tại tâm của quả cầu đó gây ra.
  • 10.3.B.2 Khi ở trạng thái cân bằng tĩnh điện, điện tích dư thừa của một vật cách điện được phân bố khắp phần bên trong cũng như trên bề mặt của vật cách điện, và điện trường bên trong vật cách điện có thể có giá trị khác không.

Tuyên bố giới hạn: AP Physics 2 chỉ yêu cầu học sinh thực hiện tính toán điện trường do bốn hoặc ít hơn các vật thể hoặc hệ thống mang điện gây ra. Phân tích điện trường do nhiều điện tích hơn gây ra được phép trong các tình huống có tính đối xứng cao. Học sinh chỉ được yêu cầu thực hiện phân tích định tính về điện trường bên trong các vật cách điện.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English
The electric field of a dipole

An electric field 电场 $\vec{E}$ is the force per unit charge that a small positive test charge would feel:

$$\vec{E}=\frac{\vec{F}}{q},\qquad E=\frac{kQ}{r^2}\ \text{for a point charge}.$$
Field lines point away from positive charges and toward negative ones; where they are denser, the field is stronger. A charge in a field feels $\vec{F}=q\vec{E}$.

Worked example. Find the electric field $0.20\ \text{m}$ from a $+5.0\ \mu\text{C}$ point charge: $E=\dfrac{kQ}{r^2}=\dfrac{9.0\times10^{9}\times5.0\times10^{-6}}{(0.20)^2}=1.1\times10^{6}\ \text{N/C}$, pointing away from the charge. A $+2\ \text{nC}$ charge placed there would feel $F=qE=2\times10^{-9}\times1.1\times10^{6}=2.2\times10^{-3}\ \text{N}$.

Tiếng Việt
Trường điện của một lưỡng cực
Nhiều tia sét sáng chói phân nhánh đánh xuống từ bầu trời u ám trên một cảng biển
Sét: điện tích tích tụ đến mức điện trường giữa mây và mặt đất đủ mạnh để tước electrons khỏi phân tử không khí, và dòng điện khổng lồ chảy qua

Một điện trường $\vec{E}$ là lực trên mỗi đơn vị điện tích mà một điện tích thử dương nhỏ sẽ cảm nhận được:

$$\vec{E}=\frac{\vec{F}}{q},\qquad E=\frac{kQ}{r^2}\ \text{for a point charge}.$$
Các đường sức điện hướng ra xa các điện tích dương và hướng về phía các điện tích âm; nơi nào đường sức dày đặc hơn thì điện trường càng mạnh. Một điện tích đặt trong điện trường sẽ chịu $\vec{F}=q\vec{E}$.

Mẫu đường sức điện cho các bản song song, dipole và điện tích điểm
Sơ đồ đường sức điện trường cho tấm phẳng song song, dipole và điện tích điểm

Ví dụ minh họa. Tìm điện trường $0.20\ \text{m}$ từ một điện tích điểm $+5.0\ \mu\text{C}$: $E=\dfrac{kQ}{r^2}=\dfrac{9.0\times10^{9}\times5.0\times10^{-6}}{(0.20)^2}=1.1\times10^{6}\ \text{N/C}$, hướng ra xa điện tích. Một điện tích $+2\ \text{nC}$ đặt tại đó sẽ chịu $F=qE=2\times10^{-9}\times1.1\times10^{6}=2.2\times10^{-3}\ \text{N}$.

Explore · ⁨Khám phá⁩

Map the field around a charge · ⁨Biểu diễn trường xung quanh một điện tích⁩

An electric field points the way a positive test charge would be pushed: away from a positive charge, toward a negative one. Closer lines mean a stronger field. · ⁨Điện trường chỉ hướng mà một điện tích thử dương sẽ bị đẩy: ra xa điện tích dương, tiến gần điện tích âm. Đường sức dày đặc hơn nghĩa là trường mạnh hơn.⁩

Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
English Tiếng Việt
Electric charge/ɪˈlektrɪk tʃɑːdʒ/ Điện tích
Coulomb's law/ˈkuːlɒmz lɔː/ Định luật Coulomb
permittivity/ˌpɜːmɪˈtɪvəti/ hằng số điện môi
conductor/kənˈdʌktə/ vật dẫn điện
insulator/ˈɪnsjuːleɪtə/ vật cách điện
Conduction/kənˈdʌkʃn/ Truyền dẫn
Induction/ɪnˈdʌkʃn/ Hướng dẫn ban đầu
electric field/ɪˈlektrɪk fiːld/ điện trường
electric potential energy/ɪˈlektrɪk pəˈtenʃl ˈenədʒi/ thế năng điện
Electric potential/ɪˈlektrɪk pəˈtenʃl/ Điện thế
10.4

Electric Potential Energy · ⁨Năng lượng thế điện⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 10.4.A: Describe the electric potential energy of a system.

  • 10.4.A.1 The electric potential energy of a system of two point charges equals the amount of work required for an external force to bring the point charges to their current positions from infinitely far away.
  • 10.4.A.2 The general form for the electric potential energy of two charged objects is given by the equation
    • Equation: $U_E = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\dfrac{q_1 q_2}{r} = k\dfrac{q_1 q_2}{r}$
  • 10.4.A.3 The total electric potential energy of a system can be determined by finding the sum of the electric potential energies of the individual interactions between each pair of charged objects in the system.

Boundary statement: As the methods to calculate the electric potential energy due to extended charge distributions exceed the scope of the course, AP Physics 2 only requires that students calculate the electric potential energy of configurations of four or fewer point charges.

Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 10.4.A: Mô tả năng lượng điện thế của một hệ.

  • 10.4.A.1 Năng lượng điện thế của một hệ gồm hai điện tích điểm bằng công cần thiết để một lực bên ngoài di chuyển các điện tích điểm này từ vô cùng xa về vị trí hiện tại của chúng.
  • 10.4.A.2 Dạng tổng quát của năng lượng điện thế cho hai vật mang điện được biểu diễn bởi phương trình
    • Phương trình: $U_E = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\dfrac{q_1 q_2}{r} = k\dfrac{q_1 q_2}{r}$
  • 10.4.A.3 Tổng năng lượng điện thế của một hệ có thể được xác định bằng cách tìm tổng các năng lượng điện thế của từng tương tác riêng lẻ giữa mỗi cặp vật mang điện trong hệ.

Phát biểu giới hạn: Vì các phương pháp tính năng lượng thế điện do phân bố điện tích kéo dài vượt quá phạm vi chương trình, AP Physics 2 chỉ yêu cầu học sinh tính năng lượng thế điện của các cấu hình gồm bốn điện tích điểm trở xuống.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English

Two charges have electric potential energy 电势能 stored in their arrangement:

$$U=\frac{k q_1 q_2}{r}.$$
Like charges pushed together store positive energy; opposite charges have negative energy (bound). Moving a charge changes $U$, and the electric force does work equal to $-\Delta U$.

Tiếng Việt

Hai điện tích có thế năng điện được lưu trữ trong cách sắp xếp của chúng:

$$U=\frac{k q_1 q_2}{r}.$$
Các điện tích giống nhau bị đẩy lại gần nhau sẽ lưu trữ năng lượng dương; các điện tích khác dấu có năng lượng âm (liên kết). Di chuyển một điện tích làm thay đổi $U$, và lực điện thực hiện công bằng $-\Delta U$.

Trong điện trường đều, thế giảm dần theo khoảng cách, nên E liên hệ với V
Trong điện trường đều, thế giảm dần theo khoảng cách, nên E liên hệ với V
10.5

Electric Potential · ⁨Thế Điện⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 10.5.A: Describe the electric potential due to a configuration of charged objects.

  • 10.5.A.1 Electric potential describes the electric potential energy per unit charge at a point in space.
  • 10.5.A.2 The electric potential due to multiple point charges can be determined by the principle of scalar superposition of the electric potential due to each of the point charges.
    • Equation: $V = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\sum_{i}\dfrac{q_i}{r_i}$
  • 10.5.A.3 The electric potential difference between two points is the change in electric potential energy per unit charge when a test charge is moved between the two points.
    • Equation: $\Delta V = \dfrac{\Delta U_E}{q}$
    • 10.5.A.3.i Electric potential difference may also result from chemical processes that cause positive and negative charges to separate, such as in a battery.
  • 10.5.A.4 When conductors are in electrical contact, electrons will be redistributed such that the surfaces of the conductors are at the same electric potential.

Learning Objective 10.5.B: Describe the relationship between electric potential and electric field.

  • 10.5.B.1 The average electric field between two points in space is equal to the electric potential difference between the two points divided by the distance between the two points.
    • Equation: $\left|\vec{E}\right| = \left|\dfrac{\Delta V}{\Delta r}\right|$
  • 10.5.B.2 Electric field vector maps and equipotential lines are tools to describe the field produced by a charge or configuration of charges and can be used to predict the motion of charged objects in the field.
    • 10.5.B.2.i Equipotential lines represent lines of equal electric potential in space. These lines are also referred to as isolines of electric potential.
    • 10.5.B.2.ii Isolines are perpendicular to electric field vectors. An isoline map of electric potential can be constructed from an electric field vector map, and an electric field map may be constructed from an isoline map.
    • 10.5.B.2.iii An electric field vector points in the direction of decreasing potential.
    • 10.5.B.2.iv There is no component of an electric field along an isoline.

Boundary statement: As the methods to calculate the electric potential due to extended charges exceed the scope of the course, AP Physics 2 only expects that students calculate the electric potential of configurations of four or fewer particles (or more in situations of high symmetry).

Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 10.5.A: Mô tả điện thế do một cấu hình các vật mang điện tạo ra.

  • 10.5.A.1 Điện thế mô tả năng lượng điện thế trên mỗi đơn vị điện tích tại một điểm trong không gian.
  • 10.5.A.2 Điện thế do nhiều điện tích điểm tạo ra có thể được xác định theo nguyên lý cộng gộp vô hướng của điện thế do từng điện tích điểm tạo ra.
    • Phương trình: $V = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\sum_{i}\dfrac{q_i}{r_i}$
  • 10.5.A.3 Hiệu điện thế giữa hai điểm là độ biến thiên năng lượng điện thế trên mỗi đơn vị điện tích khi một điện tích thử được di chuyển giữa hai điểm đó.
    • Phương trình: $\Delta V = \dfrac{\Delta U_E}{q}$
    • 10.5.A.3.i Hiệu điện thế cũng có thể phát sinh từ các quá trình hóa học gây ra sự tách biệt các điện tích dương và âm, chẳng hạn như trong pin.
  • 10.5.A.4 Khi các vật dẫn tiếp xúc với nhau, electron sẽ phân bố lại sao cho bề mặt của các vật dẫn nằm ở cùng một mức điện thế.

Mục tiêu học tập 10.5.B: Mô tả mối quan hệ giữa điện thế và điện trường.

  • 10.5.B.1 Điện trường trung bình giữa hai điểm trong không gian bằng hiệu điện thế giữa hai điểm đó chia cho khoảng cách giữa hai điểm.
    • Phương trình: $\left|\vec{E}\right| = \left|\dfrac{\Delta V}{\Delta r}\right|$
  • 10.5.B.2 Bản đồ vectơ điện trường và các đường đẳng thế là các công cụ để mô tả điện trường do một điện tích hoặc cấu hình điện tích tạo ra và có thể được sử dụng để dự đoán chuyển động của các vật mang điện trong điện trường.
    • 10.5.B.2.i Các đường đẳng thế biểu diễn các đường có giá trị điện thế bằng nhau trong không gian. Những đường này còn được gọi là đường đẳng thế (isolines) của điện thế.
    • 10.5.B.2.ii Các đường đẳng thế vuông góc với các vectơ điện trường. Một bản đồ đường đẳng thế của điện thế có thể được xây dựng từ bản đồ vectơ điện trường, và bản đồ điện trường có thể được xây dựng từ bản đồ đường đẳng thế.
    • 10.5.B.2.iii Vectơ điện trường chỉ theo hướng giảm dần điện thế.
    • 10.5.B.2.iv Không có thành phần nào của điện trường dọc theo một đường đẳng thế.

Phát biểu giới hạn: Vì các phương pháp tính điện thế do điện tích kéo dài vượt quá phạm vi chương trình, AP Physics 2 chỉ yêu cầu học sinh tính điện thế của các cấu hình gồm bốn hạt (hoặc nhiều hơn trong các trường hợp đối xứng cao).

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English

Electric potential 电势 $V$ is the potential energy per unit charge – a scalar field, measured in volts:

$$V=\frac{U}{q}=\frac{kQ}{r}.$$
The potential difference (voltage) 电压 between two points is the work per unit charge to move between them: $\Delta V=\dfrac{\Delta U}{q}$, and $U=qV$. Positive charges move from high to low potential on their own. Because potential is a scalar, adding the potentials from several charges is much easier than adding field vectors.

Tiếng Việt

Thế điện $V$ là thế năng trên mỗi đơn vị điện tích – một trường vô hướng, đo bằng volt:

$$V=\frac{U}{q}=\frac{kQ}{r}.$$
Hiệu điện thế (điện áp) giữa hai điểm là công thực hiện trên mỗi đơn vị điện tích để di chuyển giữa chúng: $\Delta V=\dfrac{\Delta U}{q}$, và $U=qV$. Các điện tích dương tự di chuyển từ nơi có thế cao đến nơi có thế thấp. Vì thế là một vô hướng, việc cộng các thế từ nhiều điện tích dễ hơn nhiều so với việc cộng các vectơ trường.

Thế năng gần một điện tích điểm thay đổi theo 1/r
Thế gần một điện tích điểm biến thiên theo 1/r
10.6

Capacitors · ⁨Tụ Điện⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 10.6.A: Describe the physical properties of a parallel-plate capacitor.

  • 10.6.A.1 A parallel-plate capacitor consists of two separated parallel conducting surfaces that can hold equal amounts of charge with opposite signs.
  • 10.6.A.2 Capacitance relates the magnitude of the charge stored on each plate to the electric potential difference created by the separation of those charges.
    • Equation: $C = \dfrac{Q}{\Delta V}$
    • 10.6.A.2.i The capacitance of a capacitor depends only on the physical properties of the capacitor, such as the capacitor's shape and the material used to separate the plates.
    • 10.6.A.2.ii The capacitance of a parallel-plate capacitor is proportional to the area of one of its plates and inversely proportional to the distance between its plates. The constant of proportionality is the product of the dielectric constant, $\kappa$, of the material between the plates and the electric permittivity of free space, $\varepsilon_0$.
      • Equation: $C = \kappa\varepsilon_0\dfrac{A}{d}$
  • 10.6.A.3 The electric field between two charged parallel plates with uniformly distributed electric charge, such as in a parallel-plate capacitor, is constant in both magnitude and direction, except near the edges of the plates.
    • 10.6.A.3.i The magnitude of the electric field between two charged parallel plates, where the plate separation is much smaller than the dimensions of the plates, can be described with the equation
      • Equation: $E_C = \dfrac{Q}{\kappa\varepsilon_0 A}$
    • 10.6.A.3.ii A charged particle between two oppositely charged parallel plates undergoes constant acceleration and therefore its motion shares characteristics with the projectile motion of an object with mass in the gravitational field near Earth's surface.
  • 10.6.A.4 The electric potential energy stored in a capacitor is equal to the work done by an external force to separate that amount of charge on the capacitor.
  • 10.6.A.5 The electric potential energy stored in a capacitor is described by the equation
    • Equation: $U_C = \dfrac{1}{2}Q\Delta V$
  • 10.6.A.6 Adding a dielectric between two plates of a capacitor changes the capacitance of the capacitor and induces an electric field in the dielectric in the opposite direction to the field between the plates.

Boundary statement: While other shapes are also able to separate charges, only the analysis and descriptions of parallel-plate capacitors are required for AP Physics 2. Edge effects will be ignored unless explicitly stated otherwise.

Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 10.6.A: Mô tả các tính chất vật lý của tụ điện song song.

  • 10.6.A.1 Tụ điện song song bao gồm hai bề mặt dẫn điện song song tách rời nhau có thể lưu giữ lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu.
  • 10.6.A.2 Điện dung liên hệ độ lớn điện tích lưu trữ trên mỗi bản với hiệu điện thế được tạo ra do sự tách biệt của các điện tích đó.
    • Phương trình: $C = \dfrac{Q}{\Delta V}$
    • 10.6.A.2.i Điện dung của tụ điện chỉ phụ thuộc vào các tính chất vật lý của tụ điện, chẳng hạn như hình dạng của tụ điện và vật liệu dùng để ngăn cách các bản tụ.
    • 10.6.A.2.ii Điện dung của tụ điện song song tỷ lệ thuận với diện tích của một bản tụ và tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa các bản tụ. Hằng số tỷ lệ là tích của hằng số điện môi, $\kappa$, của vật liệu nằm giữa các bản tụ và hằng số điện môi chân không, $\varepsilon_0$.
      • Phương trình: $C = \kappa\varepsilon_0\dfrac{A}{d}$
  • 10.6.A.3 Điện trường giữa hai bản tụ song song mang điện tích đều, chẳng hạn như trong tụ điện song song, không đổi cả về độ lớn lẫn hướng, ngoại trừ gần các cạnh của các bản tụ.
    • 10.6.A.3.i Độ lớn của điện trường giữa hai bản tụ song mang điện, nơi khoảng cách giữa các bản nhỏ hơn nhiều so với kích thước của các bản, có thể được mô tả bằng phương trình
      • Phương trình: $E_C = \dfrac{Q}{\kappa\varepsilon_0 A}$
    • 10.6.A.3.ii Một hạt mang điện nằm giữa hai bản tụ song mang điện trái dấu chịu gia tốc không đổi và do đó chuyển động của nó có những đặc điểm giống với chuyển động ném xiên của một vật có khối lượng trong trường hấp dẫn gần bề mặt Trái Đất.
  • 10.6.A.4 Năng lượng điện thế lưu trữ trong tụ điện bằng công thực hiện bởi một lực bên ngoài để tách lượng điện tích đó ra khỏi tụ điện.
  • 10.6.A.5 Năng lượng điện thế lưu trữ trong tụ điện được mô tả bởi phương trình
    • Phương trình: $U_C = \dfrac{1}{2}Q\Delta V$
  • 10.6.A.6 Việc thêm vật liệu điện môi giữa hai bản của tụ điện sẽ làm thay đổi điện dung của tụ điện và cảm ứng ra một điện trường trong vật liệu điện môi theo hướng ngược lại với điện trường giữa các bản tụ.

Phát biểu giới hạn: Mặc dù các hình dạng khác cũng có thể tách điện tích, nhưng chỉ việc phân tích và mô tả tụ song song là bắt buộc đối với AP Physics 2. Hiệu ứng cạnh sẽ bị bỏ qua trừ khi được nêu rõ ngược lại.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English
Discharging a capacitor: τ = RC
Charging a capacitor (RC)

A capacitor 电容器 stores charge and energy on two conductors separated by a gap. Its capacitance 电容 relates charge to voltage:

$$C=\frac{Q}{V},$$
and the stored energy is $U=\tfrac{1}{2}CV^2$. Capacitance depends on the plates' geometry and the material between them, not on the charge placed on it.

Worked example. A $100\ \mu\text{F}$ capacitor is charged to $12\ \text{V}$. It holds $Q=CV=100\times10^{-6}\times12=1.2\times10^{-3}\ \text{C}$ of charge and stores $U=\tfrac12 CV^2=\tfrac12\times100\times10^{-6}\times12^2=7.2\times10^{-3}\ \text{J}$ of energy.

Tiếng Việt
Xả tụ điện: τ = RC
Nạp điện cho tụ điện (RC)

Một tụ điện lưu trữ điện tích và năng lượng trên hai vật dẫn cách nhau bởi một khe hở. Điện dung của nó liên hệ điện tích với điện áp:

$$C=\frac{Q}{V},$$
và năng lượng được lưu trữ là $U=\tfrac{1}{2}CV^2$. Điện dung phụ thuộc vào hình học của các bản tụ và vật liệu ở giữa, không phụ thuộc vào điện tích đặt lên nó.

Các tụ điện mắc song song chia sẻ cùng hiệu điện thế, và tổng điện tích của chúng cộng lại
Các tụ điện mắc song song có cùng hiệu điện thế, và tổng điện tích của chúng cộng lại

Ví dụ có lời giải. Một tụ điện $100\ \mu\text{F}$ được sạc đến $12\ \text{V}$. Nó giữ $Q=CV=100\times10^{-6}\times12=1.2\times10^{-3}\ \text{C}$ điện tích và lưu trữ $U=\tfrac12 CV^2=\tfrac12\times100\times10^{-6}\times12^2=7.2\times10^{-3}\ \text{J}$ năng lượng.

Explore · ⁨Khám phá⁩

Charge and discharge a capacitor · ⁨Tích và xả điện cho tụ điện⁩

A capacitor stores charge on two plates. It fills and empties exponentially, set by the time constant $\tau = RC$ — bigger $R$ or $C$ means slower charging. · ⁨Tụ điện lưu trữ điện tích trên hai bản cực. Nó nạp đầy và xả điện theo hàm mũ, được xác định bởi hằng số thời gian $\tau = RC$ — giá trị $R$ hoặc $C$ càng lớn thì quá trình nạp càng chậm.⁩

Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
English Tiếng Việt
capacitor/kəˈpæsɪtə/ tụ điện
capacitance/kəˈpæsɪtəns/ điện dung
10.7

Conservation of Electric Energy · ⁨Bảo Toàn Năng Lượng Điện⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 10.7.A: Describe changes in energy in a system due to a difference in electric potential between two locations.

  • 10.7.A.1 When a charged object moves between two locations with different electric potentials, the resulting change in the electric potential energy of the object-field system is given by the following equation.
    • Equation: $\Delta U_E = q\Delta V$
  • 10.7.A.2 The movement of a charged object between two points with different electric potentials results in a change in kinetic energy of the object consistent with the conservation of energy.
Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 10.7.A: Mô tả sự thay đổi năng lượng trong một hệ do sự chênh lệch điện thế giữa hai vị trí.

  • 10.7.A.1 Khi một vật mang điện di chuyển giữa hai vị trí có điện thế khác nhau, độ biến thiên năng lượng điện thế của hệ vật-trường được cho bởi phương trình sau đây.
    • Phương trình: $\Delta U_E = q\Delta V$
  • 10.7.A.2 Sự di chuyển của một vật mang điện giữa hai điểm có điện thế khác nhau dẫn đến sự thay đổi động năng của vật phù hợp với định luật bảo toàn năng lượng.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English

Energy is conserved for charges just as for masses. A charge released in a field converts electric potential energy into kinetic energy:

$$q\,\Delta V=\tfrac{1}{2}mv^2 \quad(\text{gaining speed as it "falls" through a potential difference}).$$

Worked example. An electron ($q=1.6\times10^{-19}\ \text{C}$, $m=9.1\times10^{-31}\ \text{kg}$) is accelerated from rest through a potential difference of $100\ \text{V}$. Its final speed is

$$v=\sqrt{\frac{2q\,\Delta V}{m}}=\sqrt{\frac{2\times1.6\times10^{-19}\times100}{9.1\times10^{-31}}}=5.9\times10^{6}\ \text{m/s}.$$
This is exactly how the electron gun in an old television or an electron microscope works.

Tiếng Việt

Năng lượng được bảo toàn đối với các điện tích cũng như đối với khối lượng. Một điện tích được thả trong điện trường sẽ chuyển hóa thế năng điện thành động năng:

$$q\,\Delta V=\tfrac{1}{2}mv^2 \quad(\text{gaining speed as it "falls" through a potential difference}).$$

Ví dụ minh họa. Một electron ($q=1.6\times10^{-19}\ \text{C}$, $m=9.1\times10^{-31}\ \text{kg}$) được gia tốc từ trạng thái nghỉ qua hiệu điện thế là $100\ \text{V}$. Vận tốc cuối cùng của nó là

$$v=\sqrt{\frac{2q\,\Delta V}{m}}=\sqrt{\frac{2\times1.6\times10^{-19}\times100}{9.1\times10^{-31}}}=5.9\times10^{6}\ \text{m/s}.$$
Đây chính xác là nguyên lý hoạt động của súng electron trong tivi cũ hoặc kính hiển vi điện tử.

Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
English Tiếng Việt
potential difference/pəˈtenʃl ˈdɪfrəns/ hiệu điện thế
10.7

Exam tips · ⁨Mẹo làm bài thi⁩

English
  • Coulomb's law and the point-charge field are inverse-square — doubling the separation makes the force (or field) four times smaller.
  • Use magnitudes for the size of a force and decide direction from the signs; the field points the way a positive test charge would move.
  • Potential ($V$) is a scalar so potentials from several charges simply add; the field ($E$) is a vector and must be added by direction.
  • For a charge accelerated through a voltage use energy conservation $qV=\tfrac12 mv^2$.
  • Capacitor relations: $C=Q/V$ (capacitance is fixed by geometry) and energy $U=\tfrac12 CV^2$.
Tiếng Việt
  • Định luật Coulomb và trường của điện tích điểm là nghịch bình phương – khi gấp đôi khoảng cách thì lực (hoặc trường) nhỏ đi bốn lần.
  • Sử dụng độ lớn cho kích thước lực và quyết định hướng từ dấu; trường chỉ về phía mà một điện tích thử dương sẽ di chuyển.
  • Thế ($V$) là một vô hướng nên thế từ nhiều điện tích chỉ cần cộng lại; trường ($E$) là một vectơ và phải được cộng theo hướng.
  • Đối với điện tích được gia tốc qua điện áp, sử dụng định luật bảo toàn năng lượng $qV=\tfrac12 mv^2$.
  • Các hệ thức của tụ điện: $C=Q/V$ (điện dung cố định bởi hình học) và năng lượng $U=\tfrac12 CV^2$.

Interactive lessons on this topic · ⁨Bài học tương tác về chủ đề này⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨Làm theo từng bước, kèm theo bài tập kiểm tra ngay lập tức.⁩

Past Papers · ⁨Đề thi cũ⁩

More topics in AP Physics 2 · ⁨AP Vật lý 2⁩ · ⁨Nhiều chủ đề hơn trong AP Physics 2 · ⁨AP Vật lý 2⁩⁩

Log in or create account · ⁨Đăng nhập hoặc tạo tài khoản⁩

IGCSE, A-Level & AP