Skip to content · ⁨Bỏ qua nội dung⁩
Subjects · ⁨Môn học⁩

AP Physics C: Electricity and Magnetism · ⁨AP Vật lý C: Điện từ⁩

Tips · ⁨Mẹo⁩

AP Physics C: Điện từ là khóa học điện từ dựa trên giải tích: điện tích, trường và định luật Gauss; thế điện; chất dẫn điện và tụ điện; mạch điện; từ trường; và cảm ứng điện từ. Khóa học này thường được học sau Cơ học và yêu cầu mức độ giải tích tương ứng.

Định luật Gauss và định luật Ampère quyết định cảm giác về khóa học này. Cả hai thực chất đều xoay quanh việc chọn một mặt hoặc vòng kín phù hợp để tích phân trở nên đơn giản — một kỹ năng bạn xây dựng bằng cách làm nhiều bài, chứ không phải đọc định luật. Tính đối xứng là全部内容 của trò chơi này.

Câu hỏi về cảm ứng phạt lỗi dấu hiệu nhiều hơn bất cứ điều gì khác, vì vậy hãy cố định một quy ước cho hướng từ thông và sử dụng nó mỗi lần.

Ghi chú bao gồm định luật Gauss cho đến các phương trình Maxwell, theo từng đơn vị, với các phép tính vi-tuân được trình bày chi tiết. Thư viện chứa các FRQ đã công bố; điểm số cao nhất trong E&M thuộc về việc chọn đúng tính đối xứng trước khi lấy tích phân, nên các ví dụ đều bắt đầu từ đó.

  • 8

    Electric Charges, Fields, and Gauss's Law · ⁨Điện tích, điện trường và định luật Gauss⁩

    Watch lesson · ⁨Xem bài học⁩
    8.1

    Electric Charge and Electric Force · ⁨Điện Tích và Lực điện⁩

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 8.1.A: Describe the electric force that results from the interactions between charged objects or systems.

    • 8.1.A.1 Charge is a fundamental property of all matter.
      • 8.1.A.1.i Charge is a scalar quantity and is described as positive or negative.
      • 8.1.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.
      • 8.1.A.1.iii The charge of an electron is $-e$ and the charge of a proton is $+e$, and a neutron has no electric charge.
      • 8.1.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.
    • 8.1.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.
      • Relevant equation: $\left| \vec{F}_E \right| = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0} \dfrac{|q_1 q_2|}{r^2} = k \dfrac{|q_1 q_2|}{r^2}$
    • 8.1.A.3 The direction of the electrostatic force depends on the signs of the charges of the interacting objects and is along the line of separation between the objects.
      • 8.1.A.3.i Two objects with charges of the same sign exert repulsive forces on each other.
      • 8.1.A.3.ii Two objects with charges of opposite signs exert attractive forces on each other.
    • 8.1.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 8.1.B: Describe the electric and gravitational forces that result from interactions between charged objects with mass.

    • 8.1.B.1 Electrostatic forces can be attractive or repulsive, while gravitational forces are always attractive.
    • 8.1.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.
    • 8.1.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 8.1.C: Describe the electric permittivity of a material or medium.

    • 8.1.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.
    • 8.1.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.
    • 8.1.C.3 Free space has a constant value of electric permittivity, $\varepsilon_0$, that appears in physical relationships.
    • 8.1.C.4 The permittivity of matter has a value different from that of free space that arises from the matter's composition and arrangement.
      • 8.1.C.4.i In a given material, electric permittivity is determined by the ease with which electrons can change configurations within the material.
      • 8.1.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 C: Electricity & Magnetism 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. Note that students are expected to calculate the electric fields of charge distributions, as described in Topics 8.4 and 8.6.

    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 8.1.A: Mô tả lực điện phát sinh từ tương tác giữa các vật hoặc hệ mang điện.

    • 8.1.A.1 Điện tích là một tính chất cơ bản của mọi vật chất.
      • 8.1.A.1.i Điện tích là đại lượng vô hướng và được mô tả là dương hoặc âm.
      • 8.1.A.1.ii Độ lớn điện tích của một electron hay proton đơn lẻ, điện tích nguyên tố $e$, có thể được coi là lượng điện tích nhỏ nhất không thể chia nhỏ được.
      • 8.1.A.1.iii Điện tích của electron là $-e$ và điện tích của proton là $+e$, còn neutron thì không mang điện tích.
      • 8.1.A.1.iv Điện tích điểm là một mô hình trong đó kích thước vật lý của vật mang điện hoặc hệ mang điện là không đáng kể so với bối cảnh đang được phân tích.
    • 8.1.A.2 Định luật Coulomb mô tả lực tĩnh điện giữa hai vật mang điện tỷ lệ thuận với độ lớn của từng điện tích và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa các vật.
      • Phương trình liên quan: $\left| \vec{F}_E \right| = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0} \dfrac{|q_1 q_2|}{r^2} = k \dfrac{|q_1 q_2|}{r^2}$
    • 8.1.A.3 Hướng của lực tĩnh điện phụ thuộc vào dấu của các điện tích trên các vật tương tác và nằm dọc theo đường nối giữa các vật.
      • 8.1.A.3.i Hai vật mang điện cùng dấu sẽ đẩy nhau.
      • 8.1.A.3.ii Hai vật mang điện trái dấu sẽ hút nhau.
    • 8.1.A.4 Các lực điện chịu trách nhiệm cho một số tính chất vĩ mô của vật thể trong trải nghiệm hàng ngày. Tuy nhiên, do số lượng tương tác hạt rất lớn, nên thuận tiện hơn khi xử lý các lực hàng ngày thông qua các lực phi cơ bản gọi là lực tiếp xúc, chẳng hạn như lực pháp tuyến, lực ma sát và lực căng dây.

    Mục tiêu học tập 8.1.B: Mô tả các lực điện và lực hấp dẫn phát sinh từ tương tác giữa các vật mang điện có khối lượng.

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

    Mục tiêu học tập 8.1.C: Mô tả điện suất môi của một vật liệu hay môi trường.

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

    Tuyên bố giới hạn: AP Physics C: Điện & Từ chỉ yêu cầu học sinh thực hiện các phép tính về lực điện giữa bốn hoặc ít hơn các vật/hệ mang điện tương tác. Phân tích lực điện tổng hợp từ nhiều điện tích hơn được chấp nhận trong các trường hợp có tính đối xứng cao. Lưu ý rằng học sinh được yêu cầu tính toán điện trường của các phân bố điện tích, như được mô tả trong các chủ đề 8.4 và 8.6.

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

    English

    Electric charge 电荷 comes in positive and negative; like charges repel, opposites attract. Charge is quantized 量子化 – every charge is a whole-number multiple of the elementary charge 基本电荷 $e=1.6\times10^{-19}\ \text{C}$ – and obeys conservation of charge 电荷守恒: charge is never created or destroyed, only moved. The force between two point charges 点电荷 is Coulomb's law 库仑定律:

    $$\vec{F}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{q_1 q_2}{r^2}\,\hat{r},$$

    an inverse-square 平方反比 force along the line joining them, with $\dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}=k=9.0\times10^{9}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2$. For several charges (AP uses four or fewer, unless symmetry helps), add the force vectors on the charge you care about – superposition 叠加.

    Charge is a fundamental property 基本属性 of matter, and a point charge is a model that ignores the size of a charged object. The constant $\varepsilon_0$ is the permittivity of free space 真空介电常数 – a material property of the vacuum. The permittivity of matter differs from $\varepsilon_0$, set by how easily the material polarizes, which is why a dielectric between charges weakens the force. Note too that although the electric force is far stronger than gravity, gravity dominates at astronomical scales because large bodies are nearly neutral.

    Worked example. Two $+2.0\ \mu\text{C}$ charges sit $0.30\ \text{m}$ apart: $F=\dfrac{kq_1q_2}{r^2}=\dfrac{9.0\times10^{9}(2.0\times10^{-6})^2}{(0.30)^2}=0.40\ \text{N}$, repulsive.

    Worked example (vectors). Charges $+3.0\ \mu\text{C}$ and $-3.0\ \mu\text{C}$ sit at two corners of a right angle, each $0.30\ \text{m}$ from a $+1.0\ \mu\text{C}$ charge at the corner. Each exerts $F=\dfrac{(9.0\times10^{9})(3.0\times10^{-6})(1.0\times10^{-6})}{0.09}=0.30\ \text{N}$ – one a push, one a pull, at right angles to each other. The net force is $F_{\text{net}}=\sqrt{0.30^2+0.30^2}=0.42\ \text{N}$, pointing between them. Never add magnitudes blindly: components first.

    Tiếng Việt

    Điện tích xuất hiện dưới dạng dương và âm; các điện tích cùng dấu đẩy nhau, trái dấu hút nhau. Điện tích được lượng tử hóa – mọi điện tích đều là bội nguyên của điện tích cơ bản $e=1.6\times10^{-19}\ \text{C}$ – và tuân theo luật bảo toàn điện tích: điện tích không bao giờ được tạo ra hay tiêu hủy, chỉ di chuyển từ nơi này sang nơi khác. Lực giữa hai điện tích điểm tuân theo định luật Coulomb:

    $$\vec{F}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{q_1 q_2}{r^2}\,\hat{r},$$

    một lực nghịch bình phương dọc theo đường nối chúng, với $\dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}=k=9.0\times10^{9}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2$. Đối với nhiều điện tích (AP sử dụng bốn hoặc ít hơn, trừ khi có sự đối xứng hỗ trợ), cộng các véc-tơ lực tác dụng lên điện tích bạn quan tâm – nguyên lý chồng chất.

    Điện tích là một tính chất cơ bản của vật chất, và một điện tích điểm là mô hình bỏ qua kích thước của vật mang điện. Hằng số $\varepsilon_0$ là hằng số điện môi của chân không – một tính chất vật liệu của không gian chân không. Hằng số điện môi của vật chất khác với $\varepsilon_0$, phụ thuộc vào mức độ dễ dàng phân cực của vật liệu, đó là lý do tại sao một chất điện môi đặt giữa hai điện tích sẽ làm yếu lực tương tác. Lưu ý rằng mặc dù lực điện mạnh hơn rất nhiều so với lực hấp dẫn, nhưng lực hấp dẫn thống trị ở quy mô thiên văn vì các vật thể lớn gần như trung hòa về điện.

    Ví dụ minh họa. Hai $+2.0\ \mu\text{C}$ điện tích nằm cách nhau $0.30\ \text{m}$: $F=\dfrac{kq_1q_2}{r^2}=\dfrac{9.0\times10^{9}(2.0\times10^{-6})^2}{(0.30)^2}=0.40\ \text{N}$, lực đẩy.

    Ví dụ minh họa (vectors). Các điện $+3.0\ \mu\text{C}$ và $-3.0\ \mu\text{C}$ đặt tại hai góc của một góc vuông, cách mỗi bên $0.30\ \text{m}$ từ một điện $+1.0\ \mu\text{C}$ ở đỉnh góc. Mỗi điện tác dụng một lực $F=\dfrac{(9.0\times10^{9})(3.0\times10^{-6})(1.0\times10^{-6})}{0.09}=0.30\ \text{N}$ – một đẩy, một kéo, vuông góc với nhau. Hợp lực là $F_{\text{net}}=\sqrt{0.30^2+0.30^2}=0.42\ \text{N}$, hướng nằm giữa chúng. Đừng bao giờ cộng độ lớn một cách bừa bãi: hãy phân tích thành phần trước đã.

    Explore · ⁨Khám phá⁩

    Explore the field of a source charge · ⁨Khám phá trường của nguồn điện tích⁩

    Change the charge's sign and size. Lines point away from positive and toward negative, and their $1/r^2$ crowding near the charge mirrors why Coulomb's force $F = k\,|q_1 q_2|/r^2$ weakens with distance. · ⁨Thay đổi dấu và kích thước của điện tích. Các đường sức chỉ hướng ra xa từ dương và hướng vào âm, sự $1/r^2$ dày đặc gần điện tích giải thích tại sao lực Coulomb $F = k\,|q_1 q_2|/r^2$ yếu đi theo khoảng cách.⁩

    8.2

    Electric Charge and the Process of Charging · ⁨Điện Tích và Quá Trình Mang Điện⁩

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 8.2.A: Describe the behavior of a system using conservation of charge.

    • 8.2.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.
      • 8.2.A.1.i The net charge of a system can change due to friction or contact between systems.
      • 8.2.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.
      • 8.2.A.1.iii Induced charge separation can occur in neutral systems.
    • 8.2.A.2 Any change to a system's net charge is due to a transfer of charge between the system and its surroundings.
      • 8.2.A.2.i The charging of a system typically involves the transfer of electrons to and from the system.
      • 8.2.A.2.ii The net charge of a system will be constant unless there is a transfer of charge to or from the system.
    • 8.2.A.3 Grounding involves electrically connecting a charged object to a much larger and approximately neutral system (e.g., Earth).
    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 8.2.A: Mô tả hành vi của một hệ thống dựa trên định luật bảo toàn điện tích.

    • 8.2.A.1 Điện tích ròng hay phân bố điện tích của một hệ thống có thể thay đổi để đáp ứng với sự hiện diện hoặc thay đổi của điện tích ròng hay phân bố điện tích của các hệ thống khác.
      • 8.2.A.1.i Điện tích ròng của một hệ thống có thể thay đổi do ma sát hoặc tiếp xúc giữa các hệ thống.
      • 8.2.A.1.ii Sự phân tách điện tích cảm ứng xảy ra khi lực tĩnh điện giữa hai hệ thống làm thay đổi phân bố điện tích bên trong các hệ thống, dẫn đến sự phân cực của một hoặc cả hai hệ thống.
      • 8.2.A.1.iii Sự phân tách điện tích cảm ứng có thể xảy ra trong các hệ trung hòa.
    • 8.2.A.2 Mọi sự thay đổi đối với điện tích tổng của một hệ đều do quá trình chuyển điện tích giữa hệ và môi trường xung quanh.
      • 8.2.A.2.i Việc sạc điện của một hệ thường liên quan đến sự chuyển dịch electron vào và ra khỏi hệ đó.
      • 8.2.A.2.ii Điện tích tổng hợp của một hệ sẽ không đổi trừ khi có sự chuyển dịch điện tích vào hoặc ra khỏi hệ.
    • 8.2.A.3 Nối đất bao gồm việc nối điện một vật 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

    A conductor 导体 lets charge move freely; an insulator 绝缘体 holds it in place. Objects gain net charge three ways:

    • Charging by friction 摩擦起电: rubbing transfers electrons from one surface to the other.
    • Charging by conduction 传导起电: touching a charged object shares charge of the same sign.
    • Charging by induction 感应起电: a nearby charge pushes the conductor's charge apart; ground 接地 the far side, remove the ground wire first, and the conductor is left with the opposite sign – all without contact.

    An insulator cannot pass charge, but it can develop polarization 极化: its molecules stretch or turn so one face is slightly positive and the other slightly negative. That is why a charged comb picks up neutral paper scraps. An electroscope 验电器 shows net charge by its leaves repelling; on any isolated conductor the excess charge sits entirely on the outer surface.

    Tiếng Việt

    Một chất dẫn điện cho phép điện tích di chuyển tự do; một chất cách điện giữ điện tích cố định tại chỗ. Vật thể thu được điện tích ròng theo ba cách:

    • Mang điện do ma sát: cọ xát chuyển electron từ bề mặt này sang bề mặt kia.
    • Mang điện do tiếp xúc: chạm vào vật mang điện sẽ chia sẻ điện tích có cùng dấu.
    • Mang điện do cảm ứng: một điện tích gần đó đẩy điện tích của chất dẫn điện tách rời; nối đất phía xa, tháo dây nối đất trước, và chất dẫn điện sẽ bị dư lại điện tích có dấu ngược lại – tất cả mà không cần tiếp xúc.

    Chất cách điện không truyền được điện tích, nhưng nó có thể phát triển sự phân cực: các phân tử của nó bị kéo dài hoặc xoay使得 một mặt hơi dương và mặt kia hơi âm. Đó là lý do tại sao một chiếc lược mang điện có thể hút những mẩu giấy trung hòa. Một điện kế hiển thị điện tích ròng thông qua việc lá của nó đẩy nhau; trên bất kỳ chất dẫn điện cô lập nào, phần điện tích dư thừa nằm hoàn toàn trên bề mặt ngoài.

    Explore · ⁨Khám phá⁩

    Explore charging by rubbing · ⁨Khám phá hiện tượng nhiễm điện do ma sát⁩

    Rubbing transfers electrons onto the object, leaving it negative. A charged object then attracts a neutral wall or hair (by polarization) but repels another like-charged object — the same electron transfer behind friction, conduction, and induction. · ⁨Ma sát truyền electrons lên vật, khiến nó mang điện âm. Một vật nhiễm điện sẽ hút một tường hoặc tóc trung hòa (do phân cực) nhưng đẩy lùi vật mang điện tương tự khác — cùng cơ chế truyền electron đứng sau ma sát, dẫn điện và cảm ứng.⁩

    8.3

    Electric Fields · ⁨Điện Trường⁩

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 8.3.A: Describe the electric field produced by a charged object or configuration of point charges.

    • 8.3.A.1 Electric fields may originate from charged objects.
    • 8.3.A.2 The electric field at a given point is the ratio of the electric force exerted on a test charge at the point to the charge of the test charge.
      • Relevant equation: $\vec{E} = \dfrac{\vec{F}_E}{q}$
      • 8.3.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.
      • 8.3.A.2.ii An electric field points away from isolated positive charges and toward isolated negative charges.
      • 8.3.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.
    • 8.3.A.3 The electric field is a vector quantity and can be represented in space using vector field maps.
      • 8.3.A.3.i The net electric field at a given location is the vector sum of individual electric fields created by nearby charged objects.
      • 8.3.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.
      • 8.3.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 8.3.B: Describe the electric field generated by charged conductors or insulators.

    • 8.3.B.1 While in electrostatic equilibrium, the excess charge of a conductor is distributed on the surface of the conductor, and the electric field within the conductor is zero.
      • 8.3.B.1.i At the surface of a charged conductor, the electric field is perpendicular to the surface.
      • 8.3.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.
    • 8.3.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.
    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 8.3.A: Mô tả điện trường được tạo bởi một vật mang điện hoặc cấu hình các điện tích điểm.

    • 8.3.A.1 Điện trường có thể bắt nguồn từ các vật mang điện.
    • 8.3.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 độ lớn của điện tích thử.
      • Phương trình liên quan: $\vec{E} = \dfrac{\vec{F}_E}{q}$
      • 8.3.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 xung quanh nó.
      • 8.3.A.2.ii Điện trường hướng ra xa các điện tích dương cô lập và hướng về phía các điện tích âm cô lập.
      • 8.3.A.2.iii Lực điện tác dụng lên một điện tích thử dương bởi điện trường sẽ có cùng chiều với điện trường.
    • 8.3.A.3 Điện trường là một đại lượng vector và có thể được biểu diễn trong không gian bằng các bản đồ trường vector.
      • 8.3.A.3.i Điện trường tổng hợp tại một vị trí nhất định là tổng vector của các điện trường riêng lẻ tạo ra bởi các vật mang điện gần đó.
      • 8.3.A.3.ii Bản đồ điện trường sử dụng các vector để biểu diễn độ lớn và hướng của điện trường tại nhiều vị trí khác nhau trong một vùng xác định.
      • 8.3.A.3.iii Sơ đồ đường sức điện trường là các mô hình đơn giản hóa 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 8.3.B: Mô tả điện trường được tạo bởi các vật dẫn mang điện hoặc vật cách điện.

    • 8.3.B.1 Khi处于 electrostatic equilibrium, phần điện tích dư thừa của vật dẫn được phân bố trên bề mặt của vật dẫn, và điện trường bên trong vật dẫn bằng không.
      • 8.3.B.1.i Tại bề mặt của vật dẫn mang điện, điện trường vuông góc với bề mặt.
      • 8.3.B.1.ii Điện trường bên ngoài một quả cầu cô lập có phân bố điện tích đối xứng cầu giống hệt như điện trường do một điện tích điểm có cùng điện tích tổng hợp với quả球 đặt tại tâm của quả cầu.
    • 8.3.B.2 Khi处于 electrostatic equilibrium, phần điện tích dư thừa của vật cách điện được phân bố khắp bên trong vật cách điện cũng như trên bề mặt, và điện trường bên trong vật cách điện có thể có giá trị khác không.

    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

    The electric field 电场 at a point is the force per unit charge that a small positive test charge 检验电荷 would feel there:

    $$\vec{E}=\frac{\vec{F}}{q},\qquad \vec{E}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{q}{r^2}\,\hat{r}\ \text{(point charge)}.$$

    A charge placed in a field feels $\vec{F}=q\vec{E}$ – positive charges along the field, negative charges against it. Fields from several sources add as vectors (superposition again). Field lines 电场线 make the field visible: they point away from positive charge and toward negative, their density shows the strength, and they never cross.

    In a uniform 均匀 field a charge feels a constant force, so it accelerates uniformly – launched sideways, it follows a parabola, just like a projectile in gravity.

    Tiếng Việt
    Trường điện của một lưỡng cực
    Máy biến áp Tesla có vòng kim loại trên đỉnh, phóng tia lửa tím dài ra không khí
    Máy biến áp Tesla phóng tia lửa: nó nâng điện thế lên cao đến mức điện trường ion hóa không khí xung quanh, và điện tích nhảy qua như một dòng phóng điện có thể nhìn thấy

    Điện trường tại một điểm là lực trên một đơn vị điện tích mà một điện tích thử nhỏ mang điện dương sẽ cảm nhận được tại đó:

    $$\vec{E}=\frac{\vec{F}}{q},\qquad \vec{E}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{q}{r^2}\,\hat{r}\ \text{(point charge)}.$$

    Một điện tích đặt trong điện trường sẽ chịu $\vec{F}=q\vec{E}$ – các điện tích dương theo hướng điện trường, các điện tích âm ngược lại với nó. Điện trường từ nhiều nguồn cộng lại theo véc-tơ (lại là nguyên lý chồng chất). Đường sức điện giúp biểu diễn điện trường: chúng hướng ra khỏi điện tích dương và hướng vào điện tích âm, mật độ của chúng thể hiện độ mạnh, và chúng không bao giờ cắt nhau.

    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
    Các đường sức điện của dipole hướng từ điện tích dương sang điện tích âm
    Các đường sức điện của dipole hướng từ điện tích dương sang điện tích âm

    Trong một điện trường đều, một điện tích chịu một lực không đổi, nên nó gia tốc đều – nếu được phóng ngang, nó sẽ đi theo quỹ đạo parabol, giống hệt như một vật rơi tự do trong trọng trường.

    Một điện tích đi qua điện trường đều theo đường cong parabol
    Một điện tích đi qua điện trường đều theo đường cong parabol
    Một người chạm tay vào máy phát Van de Graaff với mái tóc dựng đứng
    Điện tích lan tỏa trên vỏ cầu và lên mái tóc; các điện tích cùng dấu đẩy nhau, nên các sợi tóc đẩy nhau ra
    Explore · ⁨Khám phá⁩

    Explore field lines of a point charge · ⁨Khám phá các đường sức của điện tích điểm⁩

    Set the charge positive or negative. Field lines start on positive and end on negative charge, never cross, and crowd together where $\vec{E}$ is strongest — the line density is proportional to the field magnitude. · ⁨Đặt điện tích dương hoặc âm. Đường sức bắt đầu trên dương và kết thúc trên âm điện tích, không bao giờ cắt nhau, và dày đặc nơi $\vec{E}$ mạnh nhất — mật độ đường sức tỷ lệ thuận với cường độ trường.⁩

    Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
    English Tiếng Việt
    Electric charge/ɪˈlektrɪk tʃɑːdʒ/ Điện tích
    quantized/ˈkwɒntaɪzd/ lượng tử hóa
    elementary charge/ˌelɪˈmentəri tʃɑːdʒ/ điện tích nguyên tố
    conservation of charge/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv tʃɑːdʒ/ bảo toàn điện tích
    point charges/pɔɪnt ˈtʃɑːdʒɪz/ Điện tích điểm
    Coulomb's law/ˈkuːlɒmz lɔː/ Định luật Coulomb
    inverse-square/ɪnˈvɜːs skweə/ nghịch bình phương
    superposition/ˌsuːpəpəˈzɪʃn/ sự chồng chập
    fundamental property/ˌfʌndəˈmentl ˈprɒpəti/ Tính chất cơ bản
    permittivity of free space/ˌpɜːmɪˈtɪvəti ɒv friː speɪs/ điện dung không khí
    conductor/kənˈdʌktə/ vật dẫn điện
    insulator/ˈɪnsjuːleɪtə/ vật cách điện
    Charging by friction/ˈtʃɑːdʒɪŋ baɪ ˈfrɪkʃn/ Nhiễm điện do ma sát
    Charging by conduction/ˈtʃɑːdʒɪŋ baɪ kənˈdʌkʃn/ Nhiễm điện do tiếp xúc
    Charging by induction/ˈtʃɑːdʒɪŋ baɪ ɪnˈdʌkʃn/ Nhiễm điện do cảm ứng
    ground/ɡraʊnd/ nền tảng
    polarization/ˌpəʊləraɪˈzeɪʃn/ Phân cực
    electroscope/ɪˌlektrəʊˈskəʊp/ Dụng cụ kiểm tra điện
    electric field/ɪˈlektrɪk fiːld/ điện trường
    test charge/test tʃɑːdʒ/ điện tích thử
    Field lines/fiːld laɪnz/ Đường sức điện
    uniform/ˈjuːnɪfɔːm/ đều
    continuous charge distribution/kənˈtɪnjuːəs tʃɑːdʒ ˌdɪstrɪˈbjuːʃn/ Phân bố điện tích liên tục
    linear charge density/ˈlɪnɪə tʃɑːdʒ ˈdensɪti/ Mật độ điện tích tuyến tính
    surface charge density/ˈsɜːfɪs tʃɑːdʒ ˈdensɪti/ mật độ điện tích bề mặt
    volume charge density/ˈvɒljuːm tʃɑːdʒ ˈdensɪti/ Mật độ điện tích thể tích
    symmetry/ˈsɪmətri/ sự đối xứng
    8.4

    Electric Fields of Charge Distributions · ⁨Điện Trường của Phân bố Điện Tích⁩

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 8.4.A: Describe the electric field resulting from a given charge distribution.

    • 8.4.A.1 Expressions for the electric field of specified charge distributions can be found using integration and the principle of superposition.
      • Relevant equation: $\vec{E} = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0} \displaystyle\int \dfrac{dq}{r^2} \hat{r}$
    • 8.4.A.2 Symmetry considerations of certain charge distributions can simplify analysis of the electric field resulting from those charge distributions.

    Boundary statement: AP Physics C: Electricity & Magnetism only expects students to use calculus to find the electric field resulting from the following charge distributions and locations: an infinitely long, uniformly charged wire or cylinder at a distance from its central axis, a thin ring of charge at a location along the axis of the ring, a semicircular arc or part of a semicircular arc at its center, and a finite wire or line charge at a point collinear with the line charge or at a location along its perpendicular bisector.

    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 8.4.A: Mô tả điện trường phát sinh từ một phân bố điện tích đã cho.

    • 8.4.A.1 Các biểu thức cho điện trường của các phân bố điện tích xác định có thể tìm thấy thông qua tích phân và nguyên lý chồng chất.
      • Phương trình liên quan: $\vec{E} = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0} \displaystyle\int \dfrac{dq}{r^2} \hat{r}$
    • 8.4.A.2 Các xem xét về tính đối xứng của một số phân bố điện tích có thể đơn giản hóa việc phân tích điện trường phát sinh từ các phân bố đó.

    Khái niệm biên: AP Physics C: Điện & Từ chỉ yêu cầu học sinh sử dụng vi phân tích để tìm điện trường gây ra bởi các phân bố điện tích và vị trí sau: một dây hoặc trụ mang điện đều vô hạn dài ở khoảng cách từ trục chính của nó, một vòng tròn mỏng mang điện tại một vị trí dọc theo trục của vòng tròn, một cung bán nguyệt hoặc một phần của cung bán nguyệt tại tâm của nó, và một dây hữu hạn hoặc dây dẫn điện tại một điểm thẳng hàng với dây dẫn điện hoặc tại một vị trí dọc theo đường phân giác vuông góc của nó.

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

    English

    For a continuous charge distribution 连续电荷分布, cut the object into pieces $dq$ and integrate their point-charge fields:

    $$\vec{E}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\int \frac{dq}{r^2}\,\hat{r}.$$

    Write $dq$ using the right density: $\lambda\,dl$ with the linear charge density 线电荷密度 (a line or ring), $\sigma\,dA$ with the surface charge density 面电荷密度, or $\rho\,dV$ with the volume charge density 体电荷密度. Then use symmetry 对称性 to cancel components before integrating – that sentence is usually a scored step. AP's calculus cases: a finite line (collinear point or perpendicular bisector), an infinite wire or cylinder, a ring on its axis, and an arc at its centre.

    Worked example (ring, on axis). A ring of radius $R$ carries charge $Q$. At a point $z$ along the axis, each element is a distance $\sqrt{R^2+z^2}$ away, and by symmetry the sideways components cancel, leaving only the axial part ($\cos\alpha=z/\sqrt{R^2+z^2}$):

    $$E_z=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\int\frac{dq}{R^2+z^2}\cdot\frac{z}{\sqrt{R^2+z^2}}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{Qz}{(R^2+z^2)^{3/2}}.$$

    Check the limits: $E=0$ at the centre ($z=0$), and far away ($z\gg R$) it becomes $kQ/z^2$ – a point charge, as it must.

    Tiếng Việt

    Đối với một phân bố điện tích liên tục, cắt vật thể thành các mảnh nhỏ $dq$ và tích phân các điện trường của các điện tích điểm:

    $$\vec{E}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\int \frac{dq}{r^2}\,\hat{r}.$$

    Viết $dq$ sử dụng đúng mật độ: $\lambda\,dl$ với mật độ điện tích tuyến tính (một đoạn thẳng hoặc vòng tròn), $\sigma\,dA$ với mật độ điện tích bề mặt, hoặc $\rho\,dV$ với mật độ điện tích thể tích. Sau đó sử dụng sự đối xứng để triệt tiêu các thành phần trước khi thực hiện tích phân – câu này thường là một bước được chấm điểm. Các trường hợp giải tích của AP: một đoạn thẳng hữu hạn (điểm thẳng hàng hoặc đường trung trực), một dây vô hạn hoặc trụ, một vòng tròn trên trục của nó, và một cung tròn tại tâm của nó.

    Ví dụ minh họa (vòng tròn, trên trục). Một vòng tròn bán kính $R$ mang điện tích $Q$. Tại một điểm $z$ dọc theo trục, mỗi phần tử cách xa một khoảng $\sqrt{R^2+z^2}$, và theo sự đối xứng, các thành phần ngang triệt tiêu lẫn nhau, chỉ còn lại thành phần dọc theo trục ($\cos\alpha=z/\sqrt{R^2+z^2}$):

    $$E_z=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\int\frac{dq}{R^2+z^2}\cdot\frac{z}{\sqrt{R^2+z^2}}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{Qz}{(R^2+z^2)^{3/2}}.$$

    Kiểm tra giới hạn: $E=0$ tại tâm ($z=0$), và ở xa ($z\gg R$) nó trở thành $kQ/z^2$ – một điện tích điểm, như nó phải là.

    8.5

    Electric Flux · ⁨Từ Thông Điện⁩

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 8.5.A: Describe the electric flux through an arbitrary area or geometric shape.

    • 8.5.A.1 Flux describes the amount of a given quantity that passes through a given area.
    • 8.5.A.2 For an electric field $\vec{E}$ that is constant across an area $\vec{A}$, the electric flux through the area is defined as $\Phi_E = \vec{E} \bullet \vec{A}$.
      • 8.5.A.2.i The direction of the area vector is defined as perpendicular to the plane of the surface and outward from a closed surface.
      • 8.5.A.2.ii The sign of flux is given by the dot product of the electric field vector and the area vector.
    • 8.5.A.3 The total electric flux passing through a surface is defined by the surface integral of the electric field over the surface.
      • Relevant equation: $\Phi_E = \displaystyle\int \vec{E} \cdot d\vec{A}$
    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 8.5.A: Mô tả thông lượng điện đi qua một diện tích tùy ý hoặc hình học.

    • 8.5.A.1 Thông lượng mô tả lượng của một đại lượng nhất định đi qua một diện tích cho trước.
    • 8.5.A.2 Đối với điện trường $\vec{E}$ không đổi trên một diện tích $\vec{A}$, thông lượng điện qua diện tích đó được định nghĩa là $\Phi_E = \vec{E} \bullet \vec{A}$.
      • 8.5.A.2.i Hướng của vector diện tích được định nghĩa là vuông góc với mặt phẳng của bề mặt và hướng ra ngoài từ một bề mặt kín.
      • 8.5.A.2.ii Dấu của thông lượng được xác định bởi tích vô hướng của vector điện trường và vector diện tích.
    • 8.5.A.3 Tổng thông lượng điện đi qua một bề mặt được định nghĩa bằng tích phân bề mặt của điện trường trên bề mặt đó.
      • Phương trình liên quan: $\Phi_E = \displaystyle\int \vec{E} \cdot d\vec{A}$

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

    English
    Electric flux & Gauss's law

    Electric flux 电通量 measures how much field passes through a surface:

    $$\Phi_E=\int \vec{E}\cdot d\vec{A}.$$

    For a uniform field through a flat area, $\Phi_E=EA\cos\theta$, where the area vector 面积矢量 is perpendicular to the surface. Flux is positive where field lines exit a closed surface and negative where they enter – only the perpendicular component of $\vec{E}$ counts.

    Tiếng Việt
    Từ thông điện & Định luật Gauss

    Từ thông điện đo lường lượng điện trường đi qua một bề mặt:

    $$\Phi_E=\int \vec{E}\cdot d\vec{A}.$$

    Đối với điện trường đều qua một diện tích phẳng, $\Phi_E=EA\cos\theta$, trong đó véc-tơ diện tích vuông góc với bề mặt. Từ thông dương nơi các đường sức điện rời khỏi một bề mặt kín và âm nơi chúng xâm nhập vào – chỉ có thành phần vuông góc của $\vec{E}$ mới có giá trị.

    Từ thông điện qua một bề mặt phụ thuộc vào góc giữa điện trường và pháp tuyến bề mặt
    Từ thông điện qua một bề mặt phụ thuộc vào góc giữa điện trường và pháp tuyến bề mặt
    Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
    English Tiếng Việt
    Electric flux/ɪˈlektrɪk flʌks/ Điện thông
    area vector/ˈeərɪə ˈvektə/ véc-tơ diện tích
    Gauss's law/ˈɡaʊsɪz lɔː/ Định luật Gauss
    8.6

    Gauss's Law · ⁨Định Luật Gauss⁩

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 8.6.A: Describe the properties of a charge distribution by applying Gauss's law.

    • 8.6.A.1 Gauss's law relates electric flux through a Gaussian surface to the charge enclosed by that surface.
      • Relevant equations: $\Phi_E = \dfrac{q_{\text{enc}}}{\varepsilon_0}$ and $\displaystyle\oint \vec{E} \cdot d\vec{A} = \dfrac{q_{\text{enc}}}{\varepsilon_0}$
    • 8.6.A.2 A Gaussian surface is a three-dimensional, closed surface.
    • 8.6.A.3 The total electric flux through a Gaussian surface is independent of the size of the Gaussian surface if the amount of enclosed charge remains constant.
    • 8.6.A.4 Gaussian surfaces are typically constructed such that the electric field generated by the enclosed charge is either perpendicular or parallel to different regions of the Gaussian surface, resulting in a simplified surface integral.
    • 8.6.A.5 If a function of charge density is given for a charge distribution, the total charge can be determined by integrating the charge density over the length (one dimension), area (two dimensions), or volume (three dimensions) of the charge distribution. For example: $Q_{\text{total}} = \displaystyle\int \rho(\vec{r})\, dV$
    • 8.6.A.6 Maxwell's equations are the collection of equations that fully describe electromagnetism. Gauss's law is Maxwell's first equation.
      • Relevant equation: $\displaystyle\oint \vec{E} \cdot d\vec{A} = \dfrac{q_{\text{enc}}}{\varepsilon_0}$

    Boundary statement: AP Physics C: Electricity & Magnetism only expects students to quantitatively apply Gauss's law to point charges and charge distributions that have spherical, cylindrical, or planar symmetry.

    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 8.6.A: Mô tả các đặc tính của một phân bố điện tích bằng cách áp dụng định luật Gauss.

    • 8.6.A.1 Định luật Gauss liên hệ thông lượng điện qua một bề mặt Gaussian với điện tích bị bao bọc bởi bề mặt đó.
      • Phương trình liên quan: $\Phi_E = \dfrac{q_{\text{enc}}}{\varepsilon_0}$ và $\displaystyle\oint \vec{E} \cdot d\vec{A} = \dfrac{q_{\text{enc}}}{\varepsilon_0}$
    • 8.6.A.2 Bề mặt Gaussian là một bề mặt ba chiều, kín.
    • 8.6.A.3 Tổng thông lượng điện qua một bề mặt Gaussian không phụ thuộc vào kích thước của bề mặt Gaussian nếu lượng điện tích bị bao giữ không đổi.
    • 8.6.A.4 Các bề mặt Gaussian thường được xây dựng sao cho điện trường do điện tích bị bao gây ra hoặc vuông góc hoặc song song với các vùng khác nhau của bề mặt Gaussian, dẫn đến một tích phân bề mặt được đơn giản hóa.
    • 8.6.A.5 Nếu một hàm mật độ điện tích được cho cho một phân bố điện tích, tổng điện tích có thể được xác định bằng cách tích phân mật độ điện tích trên chiều dài (một chiều), diện tích (hai chiều) hoặc thể tích (ba chiều) của phân bố điện tích. Ví dụ: $Q_{\text{total}} = \displaystyle\int \rho(\vec{r})\, dV$
    • 8.6.A.6 Các phương trình Maxwell là tập hợp các phương trình mô tả đầy đủ về điện từ học. Định luật Gauss là phương trình đầu tiên của Maxwell.
      • Phương trình liên quan: $\displaystyle\oint \vec{E} \cdot d\vec{A} = \dfrac{q_{\text{enc}}}{\varepsilon_0}$

    Câu phát biểu giới hạn: AP Physics C: Điện & Từ chỉ yêu cầu học sinh áp dụng định luật Gauss một cách định lượng đối với điện tích điểm và các phân bố điện tích có tính đối xứng hình cầu, trụ hoặc mặt phẳng.

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

    English

    Gauss's law 高斯定律 – the first of Maxwell's equations – relates the flux through any closed surface to the charge inside it:

    $$\oint \vec{E}\cdot d\vec{A}=\frac{Q_{\text{enc}}}{\varepsilon_0}.$$

    It is true for any closed surface, but it solves for $E$ only when symmetry lets you choose a Gaussian surface 高斯面 on which $E$ is constant and perpendicular (or parallel, contributing zero). The three symmetries AP tests: spherical symmetry 球对称 (concentric sphere), cylindrical symmetry 柱对称 (coaxial cylinder), and planar symmetry 平面对称 (a straddling "pillbox").

    Worked example (sphere). Outside a sphere of total charge $Q$, a spherical Gaussian surface of radius $r$ gives $E(4\pi r^2)=Q/\varepsilon_0$, so $E=\dfrac{kQ}{r^2}$ – identical to a point charge at the centre. Inside a uniformly charged solid sphere of radius $R$, the surface encloses only $Q_{\text{enc}}=Q\,r^3/R^3$, so $E=\dfrac{kQr}{R^3}$: zero at the centre, growing linearly to the surface.

    Worked example (wire). For an infinite wire with charge per length $\lambda$, take a coaxial cylinder of radius $r$ and length $L$. The ends contribute nothing ($\vec{E}\perp d\vec{A}$), so $E(2\pi rL)=\dfrac{\lambda L}{\varepsilon_0}$ and $E=\dfrac{\lambda}{2\pi\varepsilon_0 r}$. The same pillbox method gives an infinite sheet's field, $E=\dfrac{\sigma}{2\varepsilon_0}$, uniform on both sides.

    Exam skill. A full-credit Gauss's-law answer has four parts: name the surface, state the symmetry argument (why $E$ is constant and perpendicular on it), count $Q_{\text{enc}}$, then solve. Skipping the symmetry sentence loses the reasoning point – and remember Gauss's law also explains why $E=0$ inside any conductor in equilibrium.

    Tiếng Việt

    Định luật Gauss – phương trình đầu tiên của Maxwell – liên hệ từ thông qua bất kỳ bề mặt kín nào với điện tích nằm bên trong nó:

    $$\oint \vec{E}\cdot d\vec{A}=\frac{Q_{\text{enc}}}{\varepsilon_0}.$$

    Điều này đúng với bất kỳ bề mặt kín nào, nhưng nó chỉ giải được $E$ khi tính đối xứng cho phép bạn chọn một bề mặt Gauss trên đó $E$ là hằng số và vuông góc (hoặc song song, đóng góp bằng không). Ba loại tính đối xứng thường xuất hiện trong đề thi AP: tính đối xứng cầu (cầu đồng tâm), tính đối xứng trụ (trụ cùng trục), và tính đối xứng phẳng (một "hộp thuốc viên" bao phủ).

    Đã chọn bề mặt Gauss để phù hợp với tính đối xứng của điện tích
    Đã chọn bề mặt Gauss để phù hợp với tính đối xứng của điện tích

    Ví dụ minh họa (cầu). Bên ngoài một cầu có tổng điện tích $Q$, việc sử dụng bề mặt Gauss hình cầu bán kính $r$ sẽ thu được $E(4\pi r^2)=Q/\varepsilon_0$, do đó $E=\dfrac{kQ}{r^2}$ – tương đương với điện trường của một điện tích điểm tại tâm. Bên trong một khối cầu đặc mang điện tích đều có bán kính $R$, bề mặt bao quanh chỉ chứa $Q_{\text{enc}}=Q\,r^3/R^3$, nên $E=\dfrac{kQr}{R^3}$: bằng không tại tâm và tăng tuyến tính ra đến bề mặt.

    Ví dụ minh họa (dây dẫn). Đối với một dây dẫn vô hạn mang điện tích trên đơn vị chiều dài $\lambda$, hãy chọn một trụ đồng trục có bán kính $r$ và chiều dài $L$. Hai đầu không đóng góp gì ($\vec{E}\perp d\vec{A}$), nên $E(2\pi rL)=\dfrac{\lambda L}{\varepsilon_0}$ và $E=\dfrac{\lambda}{2\pi\varepsilon_0 r}$. Phương pháp hộp thuốc lá tương tự cũng cho ra trường của một tấm phẳng vô hạn, $E=\dfrac{\sigma}{2\varepsilon_0}$, đều trên cả hai phía.

    Kỹ năng làm bài thi. Một câu trả lời đầy đủ về định luật Gauss cần bốn phần: nêu tên bề mặt, phát biểu lập luận về tính đối xứng (tại sao $E$ là hằng số và vuông góc trên bề mặt đó), đếm $Q_{\text{enc}}$, sau đó giải phương trình. Bỏ qua câu nói về tính đối xứng sẽ mất điểm tư duy – và hãy nhớ rằng định luật Gauss còn giải thích tại sao $E=0$ bên trong bất kỳ vật dẫn nào ở trạng thái cân bằng electrostatic.

    Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
    English Tiếng Việt
    Gaussian surface/ˈɡaʊʃn ˈsɜːfɪs/ bề mặt Gauss
    spherical symmetry/sˈferɪkl ˈsɪmətri/ Đối xứng cầu
    cylindrical symmetry/sɪˈlɪndrɪkl ˈsɪmətri/ Đối xứng trụ
    planar symmetry/ˈpleɪnə ˈsɪmətri/ Đối xứng phẳng
    8.6

    Exam tips · ⁨Mẹo làm bài thi⁩

    English
    • Use Coulomb's law $F=\tfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\tfrac{q_1 q_2}{r^2}$ and superpose forces as vectors (components, not magnitudes).
    • For a continuous charge, integrate $d\vec E$ over $dq=\lambda\,dl,\ \sigma\,dA,\ \rho\,dV$; use symmetry to cancel components.
    • The field points away from positive and toward negative charge; draw field lines correctly.
    • Distinguish the force on a charge ($\vec F=q\vec E$) from the field the charge creates.
    • Keep the constant $k=\tfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}$ straight and check units.
    Tiếng Việt
    • Sử dụng định luật Coulomb $F=\tfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\tfrac{q_1 q_2}{r^2}$ và cộng các lực dưới dạng vectors (thành phần, không phải độ lớn).
    • Với điện tích liên tục, tích phân $d\vec E$ trên $dq=\lambda\,dl,\ \sigma\,dA,\ \rho\,dV$; dùng tính đối xứng để triệt tiêu các thành phần.
    • Điện trường chỉ hướng ra xa điện tích dương và về phía điện tích âm; vẽ đúng đường sức điện.
    • Phân biệt lực tác dụng lên một điện tích ($\vec F=q\vec E$) với điện trường mà điện tích đó tạo ra.
    • Giữ nguyên hằng số $k=\tfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}$ chính xác và kiểm tra đơn vị đo.
  • 9

    Electric Potential · ⁨Điện thế⁩

    Watch lesson · ⁨Xem bài học⁩
    9.1

    Electric Potential Energy · ⁨Năng lượng thế điện⁩

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 9.1.A: Describe the electric potential energy of a system.

    • 9.1.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.
    • 9.1.A.2 The general form for the electric potential energy between two charged objects is given by the equation
      • Equation: $U_E = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\dfrac{q_1 q_2}{r} = k\dfrac{q_1 q_2}{r}$.
    • 9.1.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.
    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 9.1.A: Mô tả năng lượng thế điện của một hệ.

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

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

    English

    When you push two like charges together, you do work 功 against the electric force. That work is stored by the pair as electric potential energy 电势能:

    $$U_E=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{q_1 q_2}{r}=k\frac{q_1 q_2}{r}.$$

    $U_E$ is defined as the work an external force must do to bring the charges from infinitely far away to a distance $r$ apart. The signs carry the physics:

    • Like charges: $U_E>0$. An outside push was needed to bring them together. If released, they fly apart, and the stored energy becomes kinetic energy 动能.
    • Opposite charges: $U_E<0$. The pair is bound. You must supply $|U_E|$ of work to pull them apart to infinity.

    The electric force is a conservative force 保守力: the work it does depends only on the start and end points, not the path, and equals $-\Delta U_E$.

    For a system 系统 of several charges, add the potential energy of every distinct pair:

    $$U_{\text{total}}=k\!\left(\frac{q_1q_2}{r_{12}}+\frac{q_1q_3}{r_{13}}+\frac{q_2q_3}{r_{23}}\right).$$

    Worked example. Three $+2.0\ \mu\text{C}$ charges sit at the corners of an equilateral triangle with sides $0.30\ \text{m}$. Each pair stores $U=\dfrac{kq^2}{r}=\dfrac{(9.0\times10^{9})(2.0\times10^{-6})^2}{0.30}=0.12\ \text{J}$. There are three pairs, so $U_{\text{total}}=3\times0.12\ \text{J}=0.36\ \text{J}$. This is the work needed to assemble the triangle from infinity – and the kinetic energy the charges would share if all three were released.

    Tiếng Việt

    Khi bạn đẩy hai điện tích cùng dấu lại gần nhau, bạn phải thực hiện công chống lại lực điện. Công này được lưu trữ bởi cặp điện tích dưới dạng năng lượng thế điện:

    $$U_E=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{q_1 q_2}{r}=k\frac{q_1 q_2}{r}.$$

    $U_E$ được định nghĩa là công mà một lực bên ngoài phải thực hiện để đưa các điện tích từ khoảng cách vô cùng lại gần nhau đến một khoảng cách $r$. Các dấu hiệu mang ý nghĩa vật lý:

    • Điện tích cùng dấu: $U_E>0$. Cần một lực đẩy bên ngoài để đưa chúng lại gần. Nếu thả ra, chúng sẽ bay ra xa, và năng lượng lưu trữ chuyển hóa thành năng lượng động.
    • Điện tích trái dấu: $U_E<0$. Cặp điện tích bị liên kết. Bạn phải cung cấp $|U_E|$ công để kéo chúng ra xa vô cùng.

    Lực điện là một lực bảo toàn: công do lực này thực hiện chỉ phụ thuộc vào điểm đầu và điểm cuối, không phụ thuộc vào đường đi, và bằng $-\Delta U_E$.

    Đối với một hệ thống gồm nhiều điện tích, hãy cộng năng lượng thế của từng cặp riêng biệt:

    $$U_{\text{total}}=k\!\left(\frac{q_1q_2}{r_{12}}+\frac{q_1q_3}{r_{13}}+\frac{q_2q_3}{r_{23}}\right).$$

    Ví dụ minh họa. Ba $+2.0\ \mu\text{C}$ điện tích nằm tại các đỉnh của tam giác đều có cạnh $0.30\ \text{m}$. Mỗi cặp lưu trữ $U=\dfrac{kq^2}{r}=\dfrac{(9.0\times10^{9})(2.0\times10^{-6})^2}{0.30}=0.12\ \text{J}$ năng lượng. Có ba cặp như vậy, nên tổng là $U_{\text{total}}=3\times0.12\ \text{J}=0.36\ \text{J}$. Đây chính là công cần thiết để sắp xếp tam giác từ vô cực – và động năng mà các điện tích sẽ chia sẻ nếu cả ba được thả tự do.

    9.2

    Electric Potential · ⁨Thế Điện⁩

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 9.2.A: Describe the electric potential due to a configuration of charged objects.

    • 9.2.A.1 Electric potential describes the electric potential energy per unit charge at a point in space.
    • 9.2.A.2 Expressions for the electric potential of charge distributions can be found using integration and the principle of superposition.
      • Equation: $V = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\displaystyle\int \dfrac{dq}{r}$
      • 9.2.A.2.i The electric potential for single point charge is
        • Equation: $V = \dfrac{q}{4\pi\varepsilon_0 r}$.
      • 9.2.A.2.ii 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: $V = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\displaystyle\sum_i \dfrac{q_i}{r_i}$
    • 9.2.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: $\Delta V = \dfrac{\Delta U_E}{q}$
    • 9.2.A.4 Electric potential difference may also result from chemical processes that cause positive and negative charges to separate, such as in a battery.

    Boundary statement: AP Physics C: Electricity & Magnetism only expects students to use calculus to find the electric potential resulting from the following charge distributions and locations: an infinitely long, uniformly charged wire or cylinder at a distance from its central axis, a thin ring of charge at a location along the axis of the ring, a semicircular arc or part of a semicircular arc at its center, and a finite wire or line charge at a point collinear with the line charge or at a location along its perpendicular bisector.

    Learning Objective 9.2.B: Describe the relationship between electric potential and electric field.

    • 9.2.B.1 The value of an electric field component in any direction at a given location is equal to the negative of the spatial rate of change in electric potential at that location.
      • Equation: $E_x = -\dfrac{dV}{dx}$
    • 9.2.B.2 The change in electric potential between two points can be determined by integrating the dot product of the electric field and the displacement along the path connecting the points.
      • Equation: $\Delta V = V_b - V_a = -\displaystyle\int_a^b \vec{E}\cdot d\vec{r}$
    • 9.2.B.3 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.
      • 9.2.B.3.i Equipotential lines represent lines of equal electric potential. These lines are also referred to as isolines of electric potential.
      • 9.2.B.3.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.
      • 9.2.B.3.iii An electric field vector points in the direction of decreasing potential.
      • 9.2.B.3.iv There is no component of an electric field along an isoline.
    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 9.2.A: Mô tả điện thế do một cấu hình các vật mang điện gây ra.

    • 9.2.A.1 Điện thế mô tả năng lượng thế điện trên một đơn vị điện tích tại một điểm trong không gian.
    • 9.2.A.2 Các biểu thức cho điện thế của các phân bố điện tích có thể tìm thấy bằng cách sử dụng tích phân và nguyên lý chồng chập.
      • Phương trình: $V = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\displaystyle\int \dfrac{dq}{r}$
      • 9.2.A.2.i Điện thế của một điện tích điểm đơn lẻ là
        • Phương trình: $V = \dfrac{q}{4\pi\varepsilon_0 r}$.
      • 9.2.A.2.ii Điện thế do nhiều điện tích điểm gây ra có thể được xác định bằng nguyên lý chồng chập vô hướng của điện thế do từng điện tích điểm gây ra.
        • Phương trình: $V = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\displaystyle\sum_i \dfrac{q_i}{r_i}$
    • 9.2.A.3 Hiệu điện thế giữa hai điểm là sự thay đổi năng lượng thế điện trên một đơn vị điện tích khi một điện tích thử được di chuyển giữa hai điểm đó.
      • Phương trình: $\Delta V = \dfrac{\Delta U_E}{q}$
    • 9.2.A.4 Hiệu điện thế cũng có thể phát sinh từ các quá trình hóa học làm tách các điện tích dương và âm, chẳng hạn như trong pin.

    Câu phát biểu giới hạn: AP Physics C: Điện & Từ chỉ yêu cầu học sinh sử dụng giải tích để tìm điện thế gây ra bởi các phân bố điện tích và vị trí sau đây: một dây dẫn hoặc trụ mang điện đều vô cùng dài ở khoảng cách từ trục trung tâm của nó, một vòng tròn mỏng mang điện ở vị trí dọc theo trục của vòng tròn, một cung bán nguyệt hoặc một phần của cung bán nguyệt tại tâm của nó, và một dây dẫn hữu hạn hoặc dây dẫn điện tại một điểm thẳng hàng với dây dẫn điện hoặc tại một vị trí dọc theo đường phân giác vuông góc của nó.

    Mục tiêu học tập 9.2.B: Mô tả mối quan hệ giữa điện thế và điện trường.

    • 9.2.B.1 Giá trị của thành phần điện trường theo bất kỳ hướng nào tại một vị trí cho trước bằng giá trị âm của tốc độ biến thiên không gian của điện thế tại vị trí đó.
      • Phương trình: $E_x = -\dfrac{dV}{dx}$
    • 9.2.B.2 Sự thay đổi điện thế giữa hai điểm có thể được xác định bằng cách tích phân tích vô hướng của điện trường và vector dịch chuyển dọc theo đường nối hai điểm.
      • Phương trình: $\Delta V = V_b - V_a = -\displaystyle\int_a^b \vec{E}\cdot d\vec{r}$
    • 9.2.B.3 Bản đồ vector điện trường và các đường đẳng thế là công cụ để mô tả điện trường do một điện tích hoặc cấu hình điện tích gây ra và có thể được sử dụng để dự đoán chuyển động của các vật mang điện trong điện trường.
      • 9.2.B.3.i Các đường đẳng thế đại diện cho các đường có điện thế bằng nhau. Những đường này còn được gọi là đường đẳng thế của điện thế.
      • 9.2.B.3.ii Các đường đẳng thế vuông góc với các vector điện trường. Một bản đồ đường đẳng thế của điện thế có thể được xây dựng từ một bản đồ vector điện trường, và một bản đồ điện trường có thể được xây dựng từ một bản đồ đường đẳng thế.
      • 9.2.B.3.iii Vector điện trường chỉ theo hướng giảm điện thế.
      • 9.2.B.3.iv Không có thành phần nào của điện trường dọc theo đường đẳng thế.

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

    English

    Electric potential 电势 is electric potential energy per unit charge at a point in space. It is measured in volts ($1\ \text{V}=1\ \text{J/C}$):

    $$V=\frac{U_E}{q},\qquad V=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{q}{r}\ \text{(point charge)}.$$

    Potential is a scalar 标量: it has a sign but no direction. This makes $V$ far easier to work with than the field $\vec{E}$. For several point charges 点电荷, use scalar superposition 叠加 – add the potentials with their signs:

    $$V=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\sum_i \frac{q_i}{r_i}.$$

    Worked example. The potential $0.10\ \text{m}$ from a $+3.0\ \text{nC}$ point charge is $V=\dfrac{kq}{r}=\dfrac{9.0\times10^{9}(3.0\times10^{-9})}{0.10}=270\ \text{V}$. Now add a $-3.0\ \text{nC}$ charge $0.30\ \text{m}$ from the same point: it contributes $\dfrac{9.0\times10^{9}(-3.0\times10^{-9})}{0.30}=-90\ \text{V}$, so the total is $270-90=180\ \text{V}$. Just a signed sum – no vector components to resolve.

    Continuous charge distributions

    For a continuous charge distribution 连续电荷分布, cut it into small pieces $dq$, treat each piece as a point charge, and integrate 积分:

    $$V=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\int\frac{dq}{r}.$$

    This is a scalar integral, so it is usually much easier than the field integral. AP expects you to handle four shapes with calculus: a thin ring (at a point on its axis), an arc (at its centre), a finite line or wire (collinear, or on its perpendicular bisector), and an infinitely long wire or cylinder (at a distance from its axis).

    Worked example (ring of charge). A thin ring of radius $R$ carries total charge $Q$. For a point $P$ on the axis a distance $z$ from the centre, every element $dq$ sits at the same distance $r=\sqrt{R^2+z^2}$ from $P$. The distance is constant, so it comes out of the integral:

    $$V=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\int\frac{dq}{\sqrt{R^2+z^2}}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{Q}{\sqrt{R^2+z^2}}.$$

    On an FRQ, say that $r$ is the same for every element – that statement is the marked step. The same idea gives $V=kQ/R$ at the centre of any arc, whatever its angle.

    From potential to field

    Potential and field contain the same information, linked by a derivative in each direction and by a path integral:

    $$E_x=-\frac{dV}{dx},\qquad \Delta V=V_b-V_a=-\int_a^b \vec{E}\cdot d\vec{r}.$$

    The field is the negative gradient 梯度 of the potential: $\vec{E}$ points from high potential to low potential, "downhill". Where $V$ changes quickly, the field is strong.

    Worked example. Along the $x$-axis, $V(x)=3x^{2}-2x$ (volts, with $x$ in metres). Then $E_x=-\dfrac{dV}{dx}=2-6x\ \text{V/m}$. At $x=0.50\ \text{m}$, $E_x=-1.0\ \text{V/m}$: the field there points in the $-x$ direction.

    The potential difference 电势差 between two points is the change in potential energy per unit charge moved between them: $\Delta V=\Delta U_E/q$. A battery makes a potential difference chemically: reactions inside separate positive from negative charge and hold the terminals a fixed $\Delta V$ apart.

    Equipotential maps

    An equipotential 等势面 line (also called an isoline 等值线) joins points that share the same potential. Four rules let you read any map:

    • Isolines are perpendicular 垂直 to field lines 电场线 everywhere they cross.
    • $\vec{E}$ points from high $V$ to low $V$ – never along an isoline. Moving a charge along an isoline takes no work.
    • Closely spaced isolines mean a strong field: $E\approx-\Delta V/\Delta x$.
    • You can sketch the field map from an isoline map, and the isoline map from a field map.

    Exam skill. Given a map with isolines every $10\ \text{V}$ spaced about $2\ \text{cm}$ apart, estimate $E\approx\dfrac{10}{0.02}=500\ \text{V/m}$, pointing from the higher-value line to the lower one. The work an external agent does moving a charge $q$ slowly from $A$ to $B$ is $W=q(V_B-V_A)$ – the path taken does not matter.

    Tiếng Việt

    Tiềm năng điện là năng lượng thế điện trên mỗi đơn vị điện tích tại một điểm trong không gian. Nó được đo bằng đơn vị volt ($1\ \text{V}=1\ \text{J/C}$):

    $$V=\frac{U_E}{q},\qquad V=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{q}{r}\ \text{(point charge)}.$$

    Tiềm năng là đại lượng vô hướng (scalar): nó có dấu nhưng không có hướng. Điều này khiến việc tính toán $V$ dễ dàng hơn rất nhiều so với việc xử lý vector điện trường $\vec{E}$. Đối với nhiều điện tích điểm, hãy sử dụng quy tắc cộng vô hướng (scalar superposition) – cộng các tiềm năng kèm theo dấu của chúng:

    $$V=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\sum_i \frac{q_i}{r_i}.$$

    Ví dụ minh họa. Điện thế $0.10\ \text{m}$ tạo bởi một điện tích điểm $+3.0\ \text{nC}$ là $V=\dfrac{kq}{r}=\dfrac{9.0\times10^{9}(3.0\times10^{-9})}{0.10}=270\ \text{V}$. Bây giờ thêm một điện tích $-3.0\ \text{nC}$ cách điểm đó $0.30\ \text{m}$: nó đóng góp $\dfrac{9.0\times10^{9}(-3.0\times10^{-9})}{0.30}=-90\ \text{V}$, nên tổng cộng là $270-90=180\ \text{V}$. Chỉ là một tổng đại số có dấu – không cần phân tích thành các thành phần vector.

    Phân bố điện tích liên tục

    Đối với một phân bố điện tích liên tục, hãy cắt nó thành các mảnh nhỏ $dq$, coi mỗi mảnh như một điện tích điểm, rồi tích phân:

    $$V=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\int\frac{dq}{r}.$$

    Đây là tích phân vô hướng, nên thường dễ tính hơn nhiều so với tích phân điện trường. Đề thi AP yêu cầu bạn phải xử được bốn hình dạng cơ bản bằng giải tích: một vòng tròn mỏng (tại một điểm trên trục của nó), một cung tròn (tại tâm của cung), một đoạn dây hoặc thanh hữu hạn (trục collinear, hoặc trên đường trung trực của nó), và một dây hoặc trụ vô hạn (tại một khoảng cách từ trục của nó).

    Vòng điện tích: mỗi phần dq đều ở cùng khoảng cách từ một điểm trên trục
    Một vòng tròn điện tích: mọi phần tử dq đều cách đều một điểm trên trục

    Ví dụ minh họa (vòng tròn điện tích). Một vòng tròn mỏng bán kính $R$ mang tổng điện tích $Q$. Đối với một điểm $P$ nằm trên trục cách tâm một khoảng $z$, mọi phần tử $dq$ đều nằm ở cùng một khoảng cách $r=\sqrt{R^2+z^2}$ từ $P$. Khoảng cách này là hằng số, nên có thể đưa ra ngoài dấu tích phân:

    $$V=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\int\frac{dq}{\sqrt{R^2+z^2}}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{Q}{\sqrt{R^2+z^2}}.$$

    Trong bài thi FRQ, bắt buộc phải nêu rằng $r$ là giống nhau cho mọi phần tử – câu khẳng định này chính là bước được chấm điểm. Tư duy tương tự cũng áp dụng để tìm $V=kQ/R$ tại tâm của bất kỳ cung tròn nào, bất kể góc mở của cung đó.

    Từ tiềm năng đến điện trường

    Tiềm năng và điện trường chứa đựng cùng một thông tin, liên hệ với nhau qua đạo hàm theo từng hướng và qua tích phân đường:

    $$E_x=-\frac{dV}{dx},\qquad \Delta V=V_b-V_a=-\int_a^b \vec{E}\cdot d\vec{r}.$$

    Điện trường là gradient (đạo hàm không gian) âm của tiềm năng: $\vec{E}$ chỉ hướng từ nơi có tiềm năng cao xuống nơi có tiềm năng thấp, "xuống dốc". Nơi $V$ thay đổi nhanh, điện trường mạnh.

    Ví dụ minh họa. Dọc theo trục $x$, $V(x)=3x^{2}-2x$ (volts, với $x$ tính bằng mét). Khi đó $E_x=-\dfrac{dV}{dx}=2-6x\ \text{V/m}$. Tại vị trí $x=0.50\ \text{m}$, $E_x=-1.0\ \text{V/m}$: điện trường tại đó chỉ về phía $-x$.

    Trong điện trường đều, điện thế giảm dần đều theo khoảng cách
    Trong điện trường đều, tiềm năng giảm dần đều theo khoảng cách

    Hiệu điện thế giữa hai điểm là sự thay đổi năng lượng thế trên mỗi đơn vị điện tích khi di chuyển giữa hai điểm đó: $\Delta V=\Delta U_E/q$. Pin tạo ra hiệu điện thế thông qua phản ứng hóa học: các phản ứng bên trong tách điện tích dương và âm ra khỏi nhau và giữ cho hai cực cách nhau một khoảng cố định $\Delta V$.

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

    Bản đồ đẳng thế

    Một đường đẳng thế (còn gọi là đường đẳng) nối các điểm có cùng điện thế. Bốn quy tắc giúp bạn đọc bất kỳ bản đồ nào:

    • Các đường đẳng vuông góc với các đường trường tại mọi vị trí chúng cắt nhau.
    • $\vec{E}$ chỉ từ $V$ cao đến $V$ thấp – không bao giờ dọc theo một đường đẳng. Di chuyển một điện tích dọc theo đường đẳng không tốn công.
    • Các đường đẳng gần nhau nghĩa là trường mạnh: $E\approx-\Delta V/\Delta x$.
    • Bạn có thể vẽ sơ đồ trường từ bản đồ đường đẳng, và bản đồ đường đẳng từ sơ đồ trường.
    Đường đẳng thế quanh dipole cắt các đường trường vuông góc
    Đường đẳng thế quanh dipole cắt các đường trường vuông góc

    Kỹ năng làm bài thi. Cho bản đồ có đường đẳng giá cách nhau $10\ \text{V}$, cách nhau khoảng $2\ \text{cm}$, hãy ước lượng $E\approx\dfrac{10}{0.02}=500\ \text{V/m}$, chỉ hướng từ đường có giá trị cao hơn sang đường có giá trị thấp hơn. Công mà một tác nhân bên ngoài thực hiện khi di chuyển một điện $q$ chậm rãi từ $A$ đến $B$ là $W=q(V_B-V_A)$ – đường đi không quan trọng.

    Dây dẫn điện áp cao: năng lượng điện thế được chuyển đổi và truyền tải dưới dạng dòng điện ở điện áp cao
    Dây dẫn điện áp cao: năng lượng điện thế được chuyển đổi và truyền tải dưới dạng dòng điện ở điện áp cao
    Explore · ⁨Khám phá⁩

    Field lines and the potential around a charge · ⁨Đường sức và điện thế quanh một điện tích⁩

    Electric potential is the energy per unit charge. It falls off with distance from a positive charge; the field lines point from high potential to low. · ⁨Điện thế là năng lượng trên đơn vị điện tích. Nó giảm dần theo khoảng cách từ điện tích dương; các đường sức chỉ từ nơi có điện thế cao sang thấp.⁩

    Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
    English Tiếng Việt
    work/wɜːk/ công
    electric potential energy/ɪˈlektrɪk pəˈtenʃl ˈenədʒi/ thế năng điện
    kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ động năng
    conservative force/kənˈsɜːvətɪv fɔːs/ lực bảo toàn
    system/ˈsɪstəm/ hệ
    Electric potential/ɪˈlektrɪk pəˈtenʃl/ Điện thế
    scalar/ˈskeɪlə/ vô hướng
    point charges/pɔɪnt ˈtʃɑːdʒɪz/ Điện tích điểm
    superposition/ˌsuːpəpəˈzɪʃn/ sự chồng chập
    continuous charge distribution/kənˈtɪnjuːəs tʃɑːdʒ ˌdɪstrɪˈbjuːʃn/ Phân bố điện tích liên tục
    integrate/ˈɪntɪɡreɪt/ tích phân
    gradient/ˈɡreɪdɪənt/ hệ số góc
    potential difference/pəˈtenʃl ˈdɪfrəns/ hiệu điện thế
    equipotential/ˌiːkwɪpəˈtenʃl/ đồng thế
    isoline/ˈaɪsəliːn/ Đường đẳng áp
    perpendicular/ˌpɜːpənˈdɪkjʊlə/ vuông góc
    field lines/fiːld laɪnz/ đường sức từ
    9.3

    Conservation of Electric Energy · ⁨Bảo Toàn Năng Lượng Điện⁩

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 9.3.A: Describe changes in a system due to a difference in electric potential between two locations.

    • 9.3.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: $\Delta U_E = q\Delta V$
    • 9.3.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 9.3.A: Mô tả những thay đổi trong hệ do sự chênh lệch điện thế giữa hai vị trí.

    • 9.3.A.1 Khi một vật mang điện di chuyển giữa hai vị trí có điện thế khác nhau, sự thay đổi tương ứng của năng lượng thế điện của hệ vật-mô-trường được cho bởi phương trình sau.
      • Phương trình: $\Delta U_E = q\Delta V$
    • 9.3.A.2 Chuyển động 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

    When a charge $q$ moves between two points that differ in potential by $\Delta V$, the potential energy of the charge–field system changes by

    $$\Delta U_E=q\,\Delta V.$$

    If only the electric force acts, total energy is conserved, so the kinetic energy changes by the opposite amount:

    $$\Delta K=-\Delta U_E=-q\,\Delta V.$$

    Watch the two signs together: a positive charge speeds up when it moves to lower potential, while a negative charge speeds up when it moves to higher potential. Both are just the system trading potential energy for kinetic energy. This is how particle accelerators give charged particles their energy, and it underlies energy analysis in circuits.

    Worked example. A proton ($q=1.6\times10^{-19}\ \text{C}$, $m=1.67\times10^{-27}\ \text{kg}$) starts at rest and is accelerated through a potential drop of $500\ \text{V}$ (it moves to lower potential, so $\Delta V=-500\ \text{V}$ and $\Delta K=-q\,\Delta V=+8.0\times10^{-17}\ \text{J}$). Setting $\Delta K=\tfrac12 mv^2$:

    $$v=\sqrt{\frac{2(8.0\times10^{-17})}{1.67\times10^{-27}}}=3.1\times10^{5}\ \text{m/s}.$$

    Exam skill. Choose energy methods, not kinematics, whenever the field is non-uniform or the path curves: only the end-point potentials matter. A typical FRQ chain is $q\,\Delta V \to \Delta K \to v$, with one line of justification: "the electric force is conservative, so energy is conserved."

    Tiếng Việt

    Khi một điện charge $q$ di chuyển giữa hai điểm chênh lệch về điện thế là $\Delta V$, năng lượng thế của hệ điện charge-trường thay đổi một lượng bằng

    $$\Delta U_E=q\,\Delta V.$$

    Nếu chỉ có lực điện tác dụng, tổng năng lượng được bảo toàn, nên động năng thay đổi một lượng đối:

    $$\Delta K=-\Delta U_E=-q\,\Delta V.$$

    Hãy xem xét đồng thời hai dấu hiệu: một điện tích dương tăng tốc khi nó di chuyển đến điện thế thấp hơn, trong khi một điện tích âm tăng tốc khi nó di chuyển đến điện thế cao hơn. Cả hai đều chỉ là sự trao đổi năng lượng thế thành động năng của hệ thống. Đây là cách các máy gia tốc hạt cung cấp năng lượng cho các hạt mang điện, và đây cũng là nền tảng cho phân tích năng lượng trong mạch điện.

    Ví dụ giải chi tiết. Một proton ($q=1.6\times10^{-19}\ \text{C}$, $m=1.67\times10^{-27}\ \text{kg}$) bắt đầu từ trạng thái nghỉ và được gia tốc qua mức giảm điện thế là $500\ \text{V}$ (nó di chuyển đến điện thế thấp hơn, do đó $\Delta V=-500\ \text{V}$ và $\Delta K=-q\,\Delta V=+8.0\times10^{-17}\ \text{J}$). Đặt $\Delta K=\tfrac12 mv^2$:

    $$v=\sqrt{\frac{2(8.0\times10^{-17})}{1.67\times10^{-27}}}=3.1\times10^{5}\ \text{m/s}.$$

    Kỹ năng thi. Chọn phương pháp năng lượng, không phải động học, mỗi khi trường không đều hoặc quỹ đạo cong: chỉ cần biết điện thế tại điểm đầu và điểm cuối. Một chuỗi câu hỏi tự luận tiêu chuẩn thường là $q\,\Delta V \to \Delta K \to v$, kèm theo một dòng lập luận: "lực điện là lực bảo toàn, nên năng lượng được bảo toàn."

    9.3

    Exam tips · ⁨Mẹo làm bài thi⁩

    English
    • Relate field and potential by $V=-\int \vec E\cdot d\vec l$ and $\vec E=-\nabla V$ (in 1-D, $E_x=-\tfrac{dV}{dx}$).
    • Potential is a scalar — add contributions with signs, no vector components needed.
    • Potential energy of a pair is $U=\tfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\tfrac{q_1 q_2}{r}$; use energy conservation for a charge's speed.
    • Know that no work is done moving along an equipotential, which is perpendicular to $\vec E$.
    • Choose the zero of potential (usually infinity) and state it.
    Tiếng Việt
    • Liên hệ trường và điện thế qua $V=-\int \vec E\cdot d\vec l$ và $\vec E=-\nabla V$ (trong 1-D, $E_x=-\tfrac{dV}{dx}$).
    • Điện thế là đại lượng vô hướng – cộng các đóng góp có dấu, không cần thành phần vector.
    • Năng lượng thế của một cặp là $U=\tfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\tfrac{q_1 q_2}{r}$; sử dụng định luật bảo toàn năng lượng để tìm vận tốc của một điện charge.
    • Nhớ rằng không có công nào được thực hiện khi di chuyển dọc theo mặt đẳng thế, mặt này vuông góc với $\vec E$.
    • Chọn gốc của điện thế (thường là vô cực) và nêu rõ điều đó.
  • 10

    Conductors and Capacitors · ⁨Dẫn điện và tụ điện⁩

    Watch lesson · ⁨Xem bài học⁩
    10.1

    Electrostatics with Conductors · ⁨Tĩnh điện học với vật dẫn⁩

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 10.1.A: Describe the charge distribution within a conductor.

    • 10.1.A.1 An ideal conductor is a material in which electrons are able to move freely.
    • 10.1.A.2 When a conductor is in electrostatic equilibrium, mutual repulsion of excess charge carriers results in those charge carriers residing entirely on the surface of the conductor.
      • 10.1.A.2.i In a conductor with a negative net charge, excess electrons reside on the surface of the conductor.
      • 10.1.A.2.ii In a conductor with a positive net charge, the surface becomes deficient in electrons, and can be modeled as if positive charge carriers reside on the surface of the conductor.
    • 10.1.A.3 Excess charges will move to the surface of a conductor to create a state of electrostatic equilibrium within the conductor.
      • 10.1.A.3.i The time interval over which charges reach electrostatic equilibrium within a conductor is so short as to be negligible.
      • 10.1.A.3.ii When a conductor reaches electrostatic equilibrium, all points on the surface of the conductor have the same electric potential, and the conductor becomes an equipotential surface.
      • 10.1.A.3.iii The charge density on the surface of a conductor will be greater where there are points or edges compared to planar areas.
    • 10.1.A.4 All excess charges reside on the surface of a conductor, which means there is no net charge in the interior of the conductor, and the electric field is zero within the conductor.
    • 10.1.A.5 The electric field is perpendicular to the outer surface of a conductor.
    • 10.1.A.6 A conductor can be polarized in the presence of an external electric field. This is a consequence of the conductor remaining an equipotential surface.
    • 10.1.A.7 Electrostatic shielding is the process of surrounding an area with a closed, conducting shell to create a region inside the conductor that is free from external electric fields.
    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 10.1.A: Mô tả sự phân bố điện tích bên trong vật dẫn điện.

    • 10.1.A.1 Vật dẫn điện lý tưởng là vật liệu mà trong đó electron có thể di chuyển tự do.
    • 10.1.A.2 Khi vật dẫn điện ở trạng thái cân bằng điện tĩnh, lực đẩy lẫn nhau giữa các hạt mang điện dư thừa khiến chúng cư trú hoàn toàn trên bề mặt vật dẫn điện.
      • 10.1.A.2.i Trong vật dẫn điện có điện tích ròng âm, các electron dư thừa cư trú trên bề mặt vật dẫn điện.
      • 10.1.A.2.ii Trong vật dẫn điện có điện tích ròng dương, bề mặt thiếu hụt electron, và có thể được mô hình hóa như thể các hạt mang điện dương cư trú trên bề mặt vật dẫn điện.
    • 10.1.A.3 Điện tích dư thừa sẽ di chuyển đến bề mặt vật dẫn điện để tạo ra trạng thái cân bằng điện tĩnh bên trong vật dẫn điện.
      • 10.1.A.3.i Khoảng thời gian để các điện tích đạt trạng thái cân bằng tĩnh điện trong vật dẫn rất ngắn đến mức có thể coi là không đáng kể.
      • 10.1.A.3.ii Khi vật dẫn đạt trạng thái cân bằng tĩnh điện, tất cả các điểm trên bề mặt vật dẫn đều có cùng điện thế, và vật dẫn trở thành một mặt đẳng thế.
      • 10.1.A.3.iii Mật độ điện tích trên bề mặt vật dẫn sẽ lớn hơn ở những nơi có đỉnh hoặc cạnh so với các vùng phẳng.
    • 10.1.A.4 Tất cả các điện tích dư thừa nằm trên bề mặt của vật dẫn, nghĩa là không có điện tích ròng bên trong vật dẫn, và cường độ điện trường bằng không bên trong vật dẫn.
    • 10.1.A.5 Cường độ điện trường vuông góc với bề mặt ngoài của vật dẫn.
    • 10.1.A.6 Vật dẫn có thể bị phân cực trong sự hiện diện của điện trường ngoài. Đây là hệ quả của việc vật dẫn vẫn giữ vai trò là mặt đẳng thế.
    • 10.1.A.7 Chắn tĩnh điện là quá trình bao quanh một khu vực bằng vỏ dẫn điện kín để tạo ra một vùng bên trong vật dẫn không chịu ảnh hưởng của điện trường ngoài.

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

    English

    In an ideal conductor 导体, electrons move freely. Put extra charge on one and the charges repel each other until, almost instantly, they settle into electrostatic equilibrium 静电平衡. In that state the conductor has four properties you must be able to state and use:

    • The electric field inside the conductor is zero. If it were not, free electrons would still be moving.
    • All excess charge sits on the surface. (Negative net charge = extra electrons on the surface; positive = a shortage of electrons there.)
    • The field just outside is perpendicular 垂直 to the surface, with magnitude $E=\sigma/\varepsilon_0$. Any parallel component would push charge sideways along the surface.
    • The whole conductor is one equipotential surface 等势面: every point, inside and on the surface, is at the same potential.

    Charge density is largest where the surface curves sharply – at points and edges – so the outside field is strongest there. In an external field a conductor polarizes: charge shifts on its surface so that the interior stays field-free and the body stays an equipotential. Surrounding a region with a closed conducting shell keeps outside fields out entirely – electrostatic shielding 静电屏蔽, the idea behind the Faraday cage 法拉第笼.

    Tiếng Việt

    Trong một vật dẫn lý tưởng, electron di chuyển tự do. Đưa thêm điện tích vào một phía, các điện tích sẽ đẩy nhau cho đến khi, gần như tức thì, chúng ổn định vào trạng thái cân bằng tĩnh điện. Trong trạng thái này, vật dẫn có bốn tính chất mà bạn cần có khả năng nêu ra và sử dụng:

    • Điện trường bên trong vật dẫn bằng không. Nếu không như vậy, các electron tự do vẫn sẽ di chuyển.
    • Tất cả điện tích dư thừa nằm trên bề mặt. (Điện tích tổng âm = thêm electron trên bề mặt; dương = thiếu hụt electron tại đó.)
    • Điện trường ngay bên ngoài vuông góc với bề mặt, có độ lớn $E=\sigma/\varepsilon_0$. Bất kỳ thành phần song song nào sẽ đẩy điện tích ngang dọc theo bề mặt.
    • Toàn bộ vật dẫn là một mặt đẳng thế: mọi điểm, bên trong và trên bề mặt, đều có cùng điện thế.

    Mật độ điện tích lớn nhất nơi bề mặt cong sắc – tại các đỉnh và cạnh – nên điện trường bên ngoài mạnh nhất tại đó. Trong điện trường ngoài, một vật dẫn tạo cực hóa: điện tích dịch chuyển trên bề mặt sao cho phần bên trong vẫn không có trường và thân vật dẫn vẫn là một mặt đẳng thế. Bao quanh một vùng bằng vỏ dẫn kín giữ hoàn toàn các trường bên ngoài ra khỏi – chống nhiễu tĩnh điện, ý tưởng đằng sau lồng Faraday.

    10.2

    Redistribution of Charge Between Conductors · ⁨Phân bố lại điện tích giữa các vật dẫn⁩

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 10.2.A: Describe the movement of charge and the resulting interactions when conductors physically contact each other.

    • 10.2.A.1 When conductors are in electrical contact, charges will be redistributed such that the surfaces of each conductor are at the same electric potential.
    • 10.2.A.2 Ground is an idealized reference point that has zero electric potential and can absorb or provide an infinite amount of charge without changing its electric potential.
    • 10.2.A.3 Charge can be induced on a conductor by grounding the conductor in the presence of an external electric field.
    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 10.2.A: Mô tả sự di chuyển của điện tích và các tương tác phát sinh khi các vật dẫn tiếp xúc vật lý với nhau.

    • 10.2.A.1 Khi các vật dẫn tiếp xúc về mặt điện, các điện tích sẽ được phân bố lại sao cho bề mặt của mỗi vật dẫn đều có cùng điện thế.
    • 10.2.A.2 Mặt đất là một điểm tham chiếu lý tưởng có điện thế bằng không và có thể hấp thụ hoặc cung cấp vô hạn lượng điện tích mà không làm thay đổi điện thế của nó.
    • 10.2.A.3 Điện tích có thể được cảm ứng lên vật dẫn bằng cách nối đất vật dẫn trong sự hiện diện của điện trường ngoài.

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

    English

    When two conductors touch (or are wired together), charge flows between them until both surfaces reach the same potential – that is the stopping condition, not "equal charges". A larger sphere holds more charge at the same potential ($V=kQ/R$), so it takes the larger share.

    Worked example. A small sphere of radius $R$ carrying $+6.0\ \mu\text{C}$ touches a distant sphere of radius $2R$, then they separate. Equal potentials require $\dfrac{kq_1}{R}=\dfrac{kq_2}{2R}$, so $q_2=2q_1$. With $q_1+q_2=6.0\ \mu\text{C}$: $q_1=2.0\ \mu\text{C}$ and $q_2=4.0\ \mu\text{C}$.

    Ground 接地 is an idealized reference at zero potential that can absorb or supply any amount of charge. Grounding a conductor while an external charge is nearby leaves the conductor with a net induced charge 感应电荷: the external field pushes charge of one sign to ground, and cutting the ground wire before removing the external charge traps the rest.

    Tiếng Việt

    Khi hai vật dẫn chạm nhau (hoặc được nối dây), điện tích chảy giữa chúng cho đến khi cả hai bề mặt đạt cùng điện thế – đó là điều kiện dừng, chứ không phải "điện tích bằng nhau". Một quả cầu lớn hơn chứa nhiều điện tích hơn ở cùng điện thế ($V=kQ/R$), nên nó nhận phần lớn hơn.

    Ví dụ giải chi tiết. Một quả cầu nhỏ bán kính $R$ mang $+6.0\ \mu\text{C}$ chạm vào một quả cầu xa bán kính $2R$, sau đó chúng tách rời. Điện thế bằng nhau yêu cầu $\dfrac{kq_1}{R}=\dfrac{kq_2}{2R}$, do đó $q_2=2q_1$. Với $q_1+q_2=6.0\ \mu\text{C}$: $q_1=2.0\ \mu\text{C}$ và $q_2=4.0\ \mu\text{C}$.

    Đất là một tham chiếu lý tưởng ở mức điện thế không có thể hấp thụ hoặc cung cấp bất kỳ lượng điện tích nào. Nối đất một vật dẫn khi có một điện charge bên ngoài ở gần sẽ làm cho vật dẫn còn lại một điện tích cảm ứng tổng: điện trường ngoài đẩy điện tích một dấu sang đất, và断开 dây nối đất trước khi loại bỏ điện charge ngoài sẽ giữ lại phần còn lại.

    10.3

    Capacitors · ⁨Tụ Điện⁩

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 10.3.A: Describe the physical properties of a parallel-plate capacitor.

    • 10.3.A.1 A parallel-plate capacitor consists of two separated parallel conducting surfaces that can hold equal amounts of charge with opposite signs.
    • 10.3.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: $C = \dfrac{Q}{\Delta V}$
      • 10.3.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.
      • 10.3.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: $C = \dfrac{\kappa \varepsilon_0 A}{d}$
    • 10.3.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.
      • 10.3.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 determined by applying Gauss's law and the principle of superposition.
        • Equation: $E = \dfrac{Q}{\varepsilon_0 A}$
      • 10.3.A.3.ii The electric field is proportional to the surface charge density on either plate of the capacitor.
      • 10.3.A.3.iii 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.
    • 10.3.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.
    • 10.3.A.5 The electric potential energy stored in a capacitor is described by the equation $U_C = \dfrac{1}{2} Q \Delta V$.

    Boundary statement: While other shapes are also able to separate charges, AP Physics C: Electricity & Magnetism only expects the quantitative analysis and description of parallel-plate capacitors, concentric spherical capacitors, and coaxial cylindrical capacitors.

    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 10.3.A: Mô tả các tính chất vật lý của tụ điện bản song song.

    • 10.3.A.1 Tụ điện bản song song gồm hai bề mặt dẫn điện song song tách biệt có thể chứa cùng một lượng điện tích nhưng trái dấu nhau.
    • 10.3.A.2 Điện dung liên hệ độ lớn của điện tích lưu trữ trên mỗi bản với hiệu điện thế được tạo ra do sự tách rời của các điện tích đó.
      • Phương trình: $C = \dfrac{Q}{\Delta V}$
      • 10.3.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 và vật liệu dùng để tách các bản.
      • 10.3.A.2.ii Điện dung của tụ điện bản song song tỷ lệ thuận với diện tích của một bản và tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa các bản. Hằng số tỷ lệ là tích của hằng số điện môi, $\kappa$, của vật liệu giữa các bản và độ thẩm điện của chân không, $\varepsilon_0$.
        • Phương trình: $C = \dfrac{\kappa \varepsilon_0 A}{d}$
    • 10.3.A.3 Cường độ điện trường giữa hai bản song song mang điện tích với phân bố điện tích đồng đều, ví dụ như trong tụ điện bản song song, là hằng định cả về độ lớn lẫn hướng, ngoại trừ gần các mép của các bản.
      • 10.3.A.3.i Độ lớn của cường độ điện trường giữa hai bản song song mang điện tích, nơi khoảng cách giữa các bản nhỏ hơn nhiều so với kích thước của các bản, có thể được xác định bằng cách áp dụng định luật Gauss và nguyên lý chồng chập.
        • Phương trình: $E = \dfrac{Q}{\varepsilon_0 A}$
      • 10.3.A.3.ii Cường độ điện trường tỷ lệ thuận với mật độ điện tích bề mặt trên bất kỳ bản nào của tụ điện.
      • 10.3.A.3.iii Một hạt mang điện nằm giữa hai bản song song mang điện tích trái dấu trải qua gia tốc không đổi, do đó chuyển động của nó chia sẻ các đặc điểm với chuyển động ném xi của một vật có khối lượng trong trường trọng lực gần bề mặt Trái Đất.
    • 10.3.A.4 Năng lượng điện thế lưu trữ trong tụ điện bằng công thực hiện bởi lực bên ngoài để tách lượng điện tích đó ra khỏi tụ điện.
    • 10.3.A.5 Năng lượng điện thế lưu trữ trong tụ điện được mô tả bởi phương trình $U_C = \dfrac{1}{2} Q \Delta V$.

    Phát biểu biên: Mặc dù các hình dạng khác cũng có khả năng tách điện tích, nhưng AP Physics C: Điện & Từ chỉ yêu cầu phân tích định lượng và mô tả đối với tụ điện bản song song, tụ điện cầu tâm, và tụ điện trụ đồng trục.

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

    English
    Charging a capacitor (RC)

    A capacitor 电容器 stores charge on two conductors separated by a gap: $+Q$ on one plate, $-Q$ on the other. Its capacitance 电容 relates the stored charge to the potential difference between the plates:

    $$C=\frac{Q}{\Delta V}.$$

    Capacitance depends only on geometry and the material in the gap – never on $Q$ or $\Delta V$ themselves.

    Worked derivation (parallel plates). For a parallel-plate capacitor 平行板电容器 with plate area $A$ and small gap $d$: Gauss's law plus superposition 叠加 gives a uniform 均匀 field between the plates, $E=\dfrac{\sigma}{\varepsilon_0}=\dfrac{Q}{\varepsilon_0 A}$ (each plate alone contributes $\sigma/2\varepsilon_0$; between the plates the two add, outside they cancel). A uniform field means $\Delta V=Ed=\dfrac{Qd}{\varepsilon_0 A}$, so

    $$C=\frac{Q}{\Delta V}=\frac{\varepsilon_0 A}{d}.$$

    This $E\to\Delta V\to C$ chain is a standard FRQ derivation – learn it as three steps, and quote each one. The same method handles the other two shapes AP expects: concentric spheres ($C=4\pi\varepsilon_0\dfrac{ab}{b-a}$) and a coaxial cylinder of length $L$, where $E=\dfrac{\lambda}{2\pi\varepsilon_0 r}$ gives $\Delta V=\dfrac{\lambda}{2\pi\varepsilon_0}\ln\dfrac{b}{a}$ and so $C=\dfrac{2\pi\varepsilon_0 L}{\ln(b/a)}$.

    Worked example. Plates of area $A=0.020\ \text{m}^2$ and gap $d=1.0\ \text{mm}$: $C=\dfrac{8.85\times10^{-12}(0.020)}{1.0\times10^{-3}}=1.8\times10^{-10}\ \text{F}$. Charged to $100\ \text{V}$ it holds $Q=CV=1.8\times10^{-8}\ \text{C}$.

    Because the field between the plates is uniform, a charged particle there feels a constant force, so it moves with constant acceleration – exactly like projectile motion 抛体运动 in gravity: constant speed across, uniform acceleration towards a plate.

    Worked example. An electron enters midway between plates at $v_0=2.0\times10^{7}\ \text{m/s}$, parallel to them. The field is $E=1.0\times10^{3}\ \text{N/C}$ and the plates are $4.0\ \text{cm}$ long. Acceleration: $a=\dfrac{eE}{m}=\dfrac{(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{3})}{9.11\times10^{-31}}=1.8\times10^{14}\ \text{m/s}^2$. Time between the plates: $t=\dfrac{0.040}{2.0\times10^{7}}=2.0\times10^{-9}\ \text{s}$. Deflection: $y=\tfrac12at^{2}=\tfrac12(1.8\times10^{14})(2.0\times10^{-9})^{2}\approx3.5\times10^{-4}\ \text{m}$ – about $0.35\ \text{mm}$ towards the positive plate.

    Storing charge takes work 功: an external force must move each bit of charge against the field of the charge already there. The total work ends up as stored potential energy,

    $$U_C=\tfrac12\,Q\,\Delta V=\tfrac12 C(\Delta V)^2=\frac{Q^2}{2C}.$$

    The factor $\tfrac12$ is the area of the triangle under the $Q$–$\Delta V$ line: the first charge moved across costs almost nothing, the last costs the full $\Delta V$.

    Capacitors combine oppositely to resistors: in parallel 并联 the capacitances add ($C_{\text{eq}}=C_1+C_2$, same $\Delta V$, charges add), while in series 串联 the reciprocals add ($\tfrac{1}{C_{\text{eq}}}=\tfrac{1}{C_1}+\tfrac{1}{C_2}$, same $Q$, voltages add).

    Worked example. A $2\ \mu\text{F}$ and a $4\ \mu\text{F}$ capacitor in series: $\tfrac{1}{C}=\tfrac12+\tfrac14$, so $C=\tfrac43\ \mu\text{F}$. The same pair in parallel: $6\ \mu\text{F}$.

    Tiếng Việt
    Nạp điện cho tụ điện (RC)

    Một tụ điện lưu trữ điện tích trên hai vật dẫn cách nhau một khe hở: $+Q$ trên một bản, $-Q$ trên bản kia. Điện dung của nó liên hệ giữa điện tích đã lưu và hiệu điện thế giữa hai bản:

    $$C=\frac{Q}{\Delta V}.$$

    Điện dung chỉ phụ thuộc vào hình học và vật liệu trong khoảng trống – không bao giờ phụ thuộc vào $Q$ hay $\Delta V$ bản thân.

    Lập luận chi tiết (bản phẳng). Đối với một tụ điện bản phẳng có diện tích bản $A$ và khoảng trống nhỏ $d$: Định luật Gauss cộng với nguyên lý chồng chập cho ra một trường đều giữa hai bản, $E=\dfrac{\sigma}{\varepsilon_0}=\dfrac{Q}{\varepsilon_0 A}$ (mỗi bản riêng lẻ đóng góp $\sigma/2\varepsilon_0$; giữa hai bản chúng cộng lại, bên ngoài chúng triệt tiêu). Một trường đều có nghĩa là $\Delta V=Ed=\dfrac{Qd}{\varepsilon_0 A}$, vì

    $$C=\frac{Q}{\Delta V}=\frac{\varepsilon_0 A}{d}.$$

    Dãy $E\to\Delta V\to C$ này là một phép suy diễn FRQ tiêu chuẩn – hãy học nó thành ba bước và trích dẫn từng bước. Phương pháp tương tự áp dụng cho hai hình dạng khác mà AP yêu cầu: các quả cầu đồng tâm ($C=4\pi\varepsilon_0\dfrac{ab}{b-a}$) và một trụ đồng trục có chiều dài $L$, nơi $E=\dfrac{\lambda}{2\pi\varepsilon_0 r}$ tạo ra $\Delta V=\dfrac{\lambda}{2\pi\varepsilon_0}\ln\dfrac{b}{a}$ và do đó $C=\dfrac{2\pi\varepsilon_0 L}{\ln(b/a)}$.

    Ví dụ minh họa. Các bản có diện tích $A=0.020\ \text{m}^2$ và khoảng cách $d=1.0\ \text{mm}$: $C=\dfrac{8.85\times10^{-12}(0.020)}{1.0\times10^{-3}}=1.8\times10^{-10}\ \text{F}$. Được sạc đến $100\ \text{V}$ thì lưu trữ được $Q=CV=1.8\times10^{-8}\ \text{C}$.

    Vì điện trường giữa các bản là đều, một hạt mang điện tại đó chịu lực không đổi, nên nó chuyển động với gia tốc không đổi – giống hệt như chuyển động ném xiên trong trọng trường: vận tốc ngang không đổi, gia tốc đều hướng về phía một bản.

    Một hạt mang điện giữa các bản đi theo quỹ đạo parabol, giống như vật bị ném xiên
    Một hạt mang điện giữa các bản đi theo quỹ đạo parabol, giống như vật bị ném xiên

    Ví dụ minh họa. Một electron đi vào ở chính giữa các bản với vận tốc $v_0=2.0\times10^{7}\ \text{m/s}$, song song với chúng. Điện trường là $E=1.0\times10^{3}\ \text{N/C}$ và các bản dài $4.0\ \text{cm}$. Gia tốc: $a=\dfrac{eE}{m}=\dfrac{(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{3})}{9.11\times10^{-31}}=1.8\times10^{14}\ \text{m/s}^2$. Thời gian di chuyển giữa các bản: $t=\dfrac{0.040}{2.0\times10^{7}}=2.0\times10^{-9}\ \text{s}$. Độ lệch: $y=\tfrac12at^{2}=\tfrac12(1.8\times10^{14})(2.0\times10^{-9})^{2}\approx3.5\times10^{-4}\ \text{m}$ – khoảng $0.35\ \text{mm}$ về phía bản dương.

    Việc lưu trữ điện tích đòi hỏi công: một lực bên ngoài phải di chuyển mỗi phần tử điện tích ngược lại với điện trường của lượng điện tích đã tồn tại. Tổng công cuối cùng chuyển hóa thành năng lượng thế được lưu trữ,

    $$U_C=\tfrac12\,Q\,\Delta V=\tfrac12 C(\Delta V)^2=\frac{Q^2}{2C}.$$
    Năng lượng lưu trữ trong tụ điện chính là diện tích dưới đường biểu diễn điện tích - hiệu điện thế của nó
    Năng lượng lưu trữ trong tụ điện chính là diện tích dưới đường biểu diễn điện tích - hiệu điện thế của nó

    Hệ số $\tfrac12$ là diện tích tam giác nằm dưới đường $Q$–$\Delta V$: phần điện tích đầu tiên di chuyển qua tốn gần như không chi phí, phần cuối cùng tốn đầy đủ $\Delta V$.

    Các tụ điện ghép nối ngược lại so với điện trở: trong ghép song song, điện dung cộng lại ($C_{\text{eq}}=C_1+C_2$, cùng $\Delta V$, điện tích cộng lại), còn trong ghép nối tiếp, nghịch đảo của chúng cộng lại ($\tfrac{1}{C_{\text{eq}}}=\tfrac{1}{C_1}+\tfrac{1}{C_2}$, cùng $Q$, hiệu điện thế cộng lại).

    Các tụ điện ghép nối tiếp mang cùng một điện tích, và hiệu điện thế của chúng cộng lại
    Các tụ điện ghép nối tiếp mang cùng một điện tích, và hiệu điện thế của chúng cộng lại

    Ví dụ minh họa. Một tụ $2\ \mu\text{F}$ và một tụ $4\ \mu\text{F}$ ghép nối tiếp: $\tfrac{1}{C}=\tfrac12+\tfrac14$, do đó $C=\tfrac43\ \mu\text{F}$. Cặp tụ tương tự ghép song song: $6\ \mu\text{F}$.

    Các loại tụ điện đa dạng: thiết bị lưu trữ điện tích và năng lượng trong điện trường giữa các chất dẫn
    Các loại tụ điện đa dạng: thiết bị lưu trữ điện tích và năng lượng trong điện trường giữa các chất dẫn
    Tụ điện phân trên bo mạch: điện dung lưu trữ năng lượng theo công thức U = ½CV²
    Tụ điện phân trên bo mạch: điện dung lưu trữ năng lượng theo công thức U = ½CV²
    Explore · ⁨Khám phá⁩

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

    A capacitor stores charge on two plates, filling and emptying exponentially with time constant $\tau=RC$. Bigger $R$ or $C$ slows it down. · ⁨Một tụ điện lưu trữ điện tích trên hai bản, nạp và xả theo hàm mũ với hằng số thời gian $\tau=RC$. Tụ $R$ hoặc $C$ lớn hơn sẽ làm chậm quá trình này.⁩

    Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
    English Tiếng Việt
    conductor/kənˈdʌktə/ vật dẫn điện
    electrostatic equilibrium/ɪˌlektrəʊˈstætɪk ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ cân bằng tĩnh điện
    perpendicular/ˌpɜːpənˈdɪkjʊlə/ vuông góc
    equipotential surface/ˌiːkwɪpəˈtenʃl ˈsɜːfɪs/ Mặt đẳng thế
    electrostatic shielding/ɪˌlektrəʊˈstætɪk ˈʃiːldɪŋ/ Che chắn tĩnh điện
    Faraday cage/ˈfærədeɪ keɪdʒ/ lồng Faraday
    ground/ɡraʊnd/ nền tảng
    induced charge/ɪnˈdjuːst tʃɑːdʒ/ Điện tích cảm ứng
    capacitor/kəˈpæsɪtə/ tụ điện
    capacitance/kəˈpæsɪtəns/ điện dung
    parallel-plate capacitor/ˈpærəlel pleɪt kəˈpæsɪtə/ Tụ điện hai bản phẳng
    superposition/ˌsuːpəpəˈzɪʃn/ sự chồng chập
    uniform/ˈjuːnɪfɔːm/ đều
    projectile motion/prəˈdʒektaɪl ˈməʊʃn/ chuyển động ném xiên
    work/wɜːk/ công
    series/ˈsɪəriːz/ nối tiếp
    10.4

    Dielectrics · ⁨Chất điện môi⁩

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 10.4.A: Describe how a dielectric inserted between the plates of a capacitor changes the properties of the capacitor.

    • 10.4.A.1 In a dielectric material, electric charges are not as free to move as they are in a conductor. Instead, the material becomes polarized in the presence of an external electric field.
    • 10.4.A.2 The dielectric constant of a material relates the electric permittivity of that material to the permittivity of free space.
      • Equation: $\kappa = \dfrac{\varepsilon}{\varepsilon_0}$
    • 10.4.A.3 The electric field created by a polarized dielectric is opposite in direction to the external field.
    • 10.4.A.4 The electric field between the plates of an isolated parallel-plate capacitor decreases when a dielectric is placed between the plates.
      • Equation: $\kappa = \dfrac{E_0}{E}$
    • 10.4.A.5 The insertion of a dielectric into a capacitor may change the capacitance of the capacitor.
      • Equation: $C = \kappa C_0$
    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 10.4.A: Mô tả cách việc đưa chất điện môi vào giữa các bản của tụ điện làm thay đổi các tính chất của tụ điện.

    • 10.4.A.1 Trong vật liệu điện môi, các điện tích không tự do di chuyển như trong vật dẫn. Thay vào đó, vật liệu bị phân cực trong sự hiện diện của điện trường ngoài.
    • 10.4.A.2 Hằng số điện môi của một vật liệu liên hệ độ thẩm điện của vật liệu đó với độ thẩm điện của chân không.
      • Phương trình: $\kappa = \dfrac{\varepsilon}{\varepsilon_0}$
    • 10.4.A.3 Cường độ điện trường được tạo ra bởi chất điện môi bị phân cực có hướng ngược lại với điện trường ngoài.
    • 10.4.A.4 Cường độ điện trường giữa các bản của tụ điện bản song song cô lập giảm xuống khi đặt chất điện môi vào giữa các bản.
      • Phương trình: $\kappa = \dfrac{E_0}{E}$
    • 10.4.A.5 Việc đưa chất điện môi vào tụ điện có thể làm thay đổi điện dung của tụ điện.
      • Phương trình: $C = \kappa C_0$

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

    English

    A dielectric 电介质 is an insulating material. Its charges cannot travel, but in an external field each molecule stretches or turns slightly – the material becomes polarized 极化. The lined-up molecules create their own small field opposite to the applied one, so the net field inside the material drops:

    $$E=\frac{E_0}{\kappa},\qquad \kappa=\frac{\varepsilon}{\varepsilon_0}\ \ (\kappa>1),$$

    where $\kappa$ is the dielectric constant 介电常数, the ratio of the material's permittivity to the permittivity of free space 真空介电常数.

    Filling a capacitor with dielectric multiplies its capacitance:

    $$C=\kappa\,C_0\qquad\left(\text{parallel plates: } C=\frac{\kappa\varepsilon_0 A}{d}\right).$$

    What happens next depends on what stays fixed – a favourite exam trap:

    battery stays connected ($\Delta V$ fixed) battery removed first ($Q$ fixed)
    charge $Q$ rises to $\kappa Q_0$ unchanged
    voltage $\Delta V$ unchanged drops to $\Delta V_0/\kappa$
    field $E$ unchanged drops to $E_0/\kappa$
    energy $U$ rises to $\kappa U_0$ drops to $U_0/\kappa$

    Worked example. A $100\ \text{pF}$ capacitor is charged to $12\ \text{V}$, disconnected, then filled with a $\kappa=3$ dielectric. $Q$ is trapped, so $\Delta V$ falls to $4\ \text{V}$ and the stored energy falls to one-third – the missing energy went into pulling the dielectric in. Reconnected to the $12\ \text{V}$ battery instead, the capacitor would hold three times the charge and three times the energy.

    Exam skill. Always begin dielectric questions by writing down which quantity is held fixed ($Q$ or $\Delta V$), then let $C=\kappa C_0$ drive everything else through $Q=C\Delta V$ and $U=\tfrac12 C(\Delta V)^2$.

    Tiếng Việt

    Chất điện môi là vật liệu cách điện. Các điện tích của nó không thể di chuyển, nhưng trong điện trường ngoài, mỗi phân tử sẽ kéo dãn hoặc xoay nhẹ – vật liệu trở nên phân cực. Các phân tử sắp xếp song song tạo ra một điện trường nhỏ ngược với điện trường tác dụng, khiến tổng điện trường bên trong vật liệu giảm xuống:

    $$E=\frac{E_0}{\kappa},\qquad \kappa=\frac{\varepsilon}{\varepsilon_0}\ \ (\kappa>1),$$

    trong đó $\kappa$ là hằng số điện môi, tỷ số giữa độ điện thẩm của vật liệu và độ điện thẩm của chân không.

    Một chất điện môi phân cực tạo ra điện trường nội bộ chống lại điện trường tác dụng
    Một chất điện môi phân cực tạo ra điện trường nội bộ chống lại điện trường tác dụng

    Nhồi chất điện môi vào tụ điện sẽ làm tăng điện dung của nó lên nhiều lần:

    $$C=\kappa\,C_0\qquad\left(\text{parallel plates: } C=\frac{\kappa\varepsilon_0 A}{d}\right).$$

    Điều gì xảy ra tiếp theo phụ thuộc vào đại lượng nào được giữ cố định – đây là một bẫy thi thường gặp:

    pin vẫn kết nối ($\Delta V$ không đổi) pin được rút ra trước ($Q$ không đổi)
    điện tích $Q$ tăng lên $\kappa Q_0$ không đổi
    hiệu điện thế $\Delta V$ không đổi giảm xuống $\Delta V_0/\kappa$
    điện trường $E$ không đổi giảm xuống $E_0/\kappa$
    năng lượng $U$ tăng lên $\kappa U_0$ giảm xuống $U_0/\kappa$

    Ví dụ minh họa. Một tụ $100\ \text{pF}$ được sạc đến $12\ \text{V}$, sau đó断开 (rút ra) và nhồi vào chất điện môi $\kappa=3$. $Q$ bị giữ nguyên, nên $\Delta V$ giảm xuống $4\ \text{V}$ và năng lượng lưu trữ giảm còn một phần ba – phần năng lượng thiếu hụt đã dùng để kéo chất điện môi vào. Nếu thay vào đó kết nối lại với nguồn pin $12\ \text{V}$, tụ sẽ lưu trữ gấp ba lần điện tích và gấp ba lần năng lượng.

    Kỹ năng làm bài thi. Luôn bắt đầu các câu hỏi về chất điện môi bằng cách viết ra đại lượng nào được giữ cố định ($Q$ hay $\Delta V$), sau đó để $C=\kappa C_0$ quyết định tất cả các đại lượng khác thông qua $Q=C\Delta V$ và $U=\tfrac12 C(\Delta V)^2$.

    Explore · ⁨Khám phá⁩

    Add a dielectric · ⁨Thêm chất điện môi⁩

    A dielectric between the plates raises the capacitance, so the capacitor holds more charge at the same voltage. Watch the charge build faster. · ⁨Một chất điện môi giữa hai bản làm tăng điện dung, giúp tụ giữ nhiều điện tích hơn ở cùng hiệu điện thế. Quan sát điện tích tích lũy nhanh hơn.⁩

    Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
    English Tiếng Việt
    parallel/ˈpærəlel/ song song
    dielectric/ˌdaɪɪˈlektrɪk/ điện môi
    polarized/ˈpəʊləraɪzd/ Phân cực
    dielectric constant/ˌdaɪɪˈlektrɪk ˈkɒnstənt/ hằng số điện môi
    permittivity of free space/ˌpɜːmɪˈtɪvəti ɒv friː speɪs/ điện dung không khí
    10.4

    Exam tips · ⁨Mẹo làm bài thi⁩

    English
    • In electrostatic equilibrium a conductor has $\vec E=0$ inside and all excess charge on the surface.
    • Apply Gauss's law $\oint \vec E\cdot d\vec A=\tfrac{q_{enc}}{\varepsilon_0}$ with a symmetry-matched Gaussian surface (sphere, cylinder, pillbox).
    • The whole conductor is one equipotential, and the surface field is perpendicular to it.
    • For a capacitor use $C=\tfrac{Q}{V}$, energy $U=\tfrac12 CV^2$, and how a dielectric raises $C$.
    • Pick the Gaussian surface so $\vec E$ is constant and parallel (or zero) on each part.
    Tiếng Việt
    • Trong cân bằng tĩnh điện, chất dẫn có $\vec E=0$ bên trong và toàn bộ điện tích dư thừa nằm trên bề mặt.
    • Áp dụng định luật Gauss $\oint \vec E\cdot d\vec A=\tfrac{q_{enc}}{\varepsilon_0}$ với một mặt Gauss có tính đối xứng phù hợp (cầu, trụ, hộp thuốc viên).
    • Toàn bộ chất dẫn là một mặt đẳng thế, và điện trường bề mặt vuông góc với nó.
    • Đối với tụ điện, sử dụng $C=\tfrac{Q}{V}$, năng lượng $U=\tfrac12 CV^2$, và cách chất điện môi làm tăng $C$.
    • Chọn mặt Gauss sao cho $\vec E$ không đổi và song song (hoặc bằng không) trên mỗi phần.
  • 11

    Electric Circuits · ⁨Mạch Điện⁩

    Watch lesson · ⁨Xem bài học⁩
    11.1

    Electric Current · ⁨Dòng Điện⁩

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 11.1.A: Describe the movement of electric charges through a medium.

    • 11.1.A.1 Current is the rate at which charge passes through a cross-sectional area of a wire.
      • Equation: $I = \dfrac{dq}{dt}$
      • 11.1.A.1.i Current within a conductor consists of charge carriers traveling through the conductor with an average drift velocity.
        • Equation: $I = nqv_d A$
      • 11.1.A.1.ii Electric charge moves in a circuit in response to an electric potential difference, sometimes referred to as electromotive force, or $\mathrm{emf}$ ($\mathcal{E}$).
      • 11.1.A.1.iii If the current is zero in a section of wire, the net motion of charge carriers in the wire is also zero, although individual charge carriers will not have zero speed.
    • 11.1.A.2 Current density is the flow of charge per unit area.
      • Equation: $I = \int \vec{J} \cdot d\vec{A}$
      • 11.1.A.2.i Current density is related to the motion of the charge carriers within a conductor.
        • Equation: $\vec{J} = nq\vec{v}_d$
      • 11.1.A.2.ii Current density is a vector quantity.
      • 11.1.A.2.iii A potential difference across a conductor creates an electric field within the conductor that is proportional to the resistivity of the conductor and the current density.
        • Equation: $\vec{E} = \rho\vec{J}$
    • 11.1.A.3 If a function of current density is given, the total current can be determined by integrating the current density over the area.
      • Equation: $I_{\text{tot}} = \int \vec{J}(r) \cdot d\vec{A}$
    • 11.1.A.4 Although current is a scalar quantity, it does have a direction. Because its direction is relative to the current carrier and not space, current does not obey the laws of vector addition and has no vector components.
      • 11.1.A.4.i The direction of conventional current is chosen to be the direction in which positive charge would move.
      • 11.1.A.4.ii In common circuits, the current is actually due to the movement of electrons (negative charge carriers).
    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 11.1.A: Mô tả sự di chuyển của các điện tích qua môi trường.

    • 11.1.A.1 Cường độ dòng điện là tốc độ điện tích đi qua tiết diện ngang của dây dẫn.
      • Phương trình: $I = \dfrac{dq}{dt}$
      • 11.1.A.1.i Dòng điện trong vật dẫn bao gồm các hạt tải điện di chuyển qua vật dẫn với vận tốc trôi trung bình.
        • Phương trình: $I = nqv_d A$
      • 11.1.A.1.ii Điện tích di chuyển trong mạch phản hồi lại hiệu điện thế, đôi khi được gọi là suất điện động, hay $\mathrm{emf}$ ($\mathcal{E}$).
      • 11.1.A.1.iii Nếu dòng điện bằng không tại một đoạn dây, thì chuyển động ròng của các hạt tải điện trong dây cũng bằng không, mặc dù từng hạt tải điện cá nhân sẽ không có tốc độ bằng không.
    • 11.1.A.2 Mật độ dòng điện là dòng chảy của điện tích trên một đơn vị diện tích.
      • Phương trình: $I = \int \vec{J} \cdot d\vec{A}$
      • 11.1.A.2.i Mật độ dòng điện liên quan đến chuyển động của các hạt mang điện bên trong vật dẫn.
        • Phương trình: $\vec{J} = nq\vec{v}_d$
      • 11.1.A.2.ii Mật độ dòng điện là một đại lượng vectơ.
      • 11.1.A.2.iii Hiệu điện thế đặt vào两端 một vật dẫn tạo ra một điện trường bên trong vật dẫn đó tỉ lệ thuận với điện trở suất của vật dẫn và mật độ dòng điện.
        • Phương trình: $\vec{E} = \rho\vec{J}$
    • 11.1.A.3 Nếu hàm mật độ dòng điện được cho, tổng dòng điện có thể xác định bằng cách tích phân mật độ dòng điện trên diện tích.
      • Phương trình: $I_{\text{tot}} = \int \vec{J}(r) \cdot d\vec{A}$
    • 11.1.A.4 Mặc dù dòng điện là đại lượng vô hướng, nó vẫn có hướng. Vì hướng của nó phụ thuộc vào hạt tải điện chứ không phải không gian, dòng điện không tuân theo quy tắc cộng vector và không có các thành phần vector.
      • 11.1.A.4.i Chiều của dòng điện quy ước được chọn là chiều mà các điện tích dương sẽ di chuyển.
      • 11.1.A.4.ii Trong các mạch điện thông thường, dòng điện thực tế là do sự di chuyển của electron (các hạt mang điện âm).

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

    English

    Electric current 电流 is the rate at which charge passes a cross-section of wire, $I=\dfrac{dq}{dt}$, measured in amperes 安培. Conventional current points the way positive charge would move. Microscopically, a current is a slow drift of many carriers:

    $$I=nqv_dA,$$

    with $n$ the number of carriers per volume, $q$ the charge each carries, $v_d$ the drift velocity 漂移速度, and $A$ the cross-sectional area 横截面积.

    Worked example. A copper wire with $A=1.0\times10^{-6}\ \text{m}^2$ and $n=8.5\times10^{28}\ \text{m}^{-3}$ carries $1.7\ \text{A}$. Then $v_d=\dfrac{I}{nqA}=\dfrac{1.7}{(8.5\times10^{28})(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{-6})}\approx1.3\times10^{-4}\ \text{m/s}$ – the carriers drift slower than a snail, even though the signal travels near light speed.

    Current density 电流密度 is charge flow per unit area, $\vec{J}=nq\vec{v}_d$, linked to the field driving it by $\vec{E}=\rho\vec{J}$. In general $I=\int\vec{J}\cdot d\vec{A}$; if $J(r)$ varies across the wire, integrate it over the cross-section to get the total current. One care point: current has a direction along its wire, but it is a scalar 标量 – currents do not add as vectors, and there are no "components of current".

    Tiếng Việt

    Dòng điện là tốc độ dòng điện tích đi qua tiết diện dây, $I=\dfrac{dq}{dt}$, đo bằng đơn vị ampe. Dòng điện quy ước chỉ hướng di chuyển của điện tích dương. Về mặt vi mô, dòng điện là sự trôi chậm của rất nhiều hạt tải điện:

    $$I=nqv_dA,$$

    với $n$ là số hạt tải điện trên đơn vị thể tích, $q$ là điện tích mỗi hạt mang theo, $v_d$ là vận tốc trôi, và $A$ là diện tích tiết diện.

    Các hạt tải điện trôi chậm trong vật dẫn để tạo ra dòng điện
    Các hạt mang điện trôi chậm trong vật dẫn để tạo ra dòng điện

    Ví dụ minh họa. Một dây đồng có $A=1.0\times10^{-6}\ \text{m}^2$ và $n=8.5\times10^{28}\ \text{m}^{-3}$ mang $1.7\ \text{A}$. Khi đó $v_d=\dfrac{I}{nqA}=\dfrac{1.7}{(8.5\times10^{28})(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{-6})}\approx1.3\times10^{-4}\ \text{m/s}$ – các hạt tải điện trôi chậm hơn cả con sên, mặc dù tín hiệu truyền đi gần bằng tốc độ ánh sáng.

    Mật độ dòng điện là lượng điện tích chảy qua đơn vị diện tích, $\vec{J}=nq\vec{v}_d$, liên hệ với điện trường tác dụng nó qua $\vec{E}=\rho\vec{J}$. Nhìn chung $I=\int\vec{J}\cdot d\vec{A}$; nếu $J(r)$ thay đổi dọc theo dây, hãy tích phân nó trên tiết diện để tìm tổng dòng điện. Lưu ý quan trọng: dòng điện có hướng dọc theo dây nhưng nó là thực vô hướng – các dòng điện không cộng theo vectơ, và không có "thành phần của dòng điện".

    Máy ghi điện: đồ thị điện thế theo thời gian cho thấy dòng điện và điện tích biến thiên như thế nào trong mạch
    Máy示波器: điện áp theo thời gian cho thấy dòng điện và điện tích biến thiên trong mạch như thế nào
    Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
    English Tiếng Việt
    Electric current/ɪˈlektrɪk ˈkʌrənt/ Dòng điện
    amperes/ˈæmpeəz/ ampe
    drift velocity/drɪft vəˈlɒsɪti/ vận tốc trôi
    cross-sectional area/krɒs ˈsekʃənl ˈeərɪə/ diện tích tiết diện ngang
    Current density/ˈkʌrənt ˈdensɪti/ Mật độ dòng điện
    scalar/ˈskeɪlə/ vô hướng
    circuit diagram/ˈsɜːkɪt ˈdaɪəɡræm/ Sơ đồ mạch điện
    series/ˈsɪəriːz/ nối tiếp
    11.2

    Electric Circuits · ⁨Mạch Điện⁩

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 11.2.A: Describe the behavior of a circuit.

    • 11.2.A.1 A circuit is composed of electrical loops, which can include wires, batteries, resistors, lightbulbs, capacitors, inductors, switches, ammeters, and voltmeters.
    • 11.2.A.2 A closed electrical loop is a closed path through which charges may flow.
      • 11.2.A.2.i A closed circuit is one in which charges would be able to flow.
      • 11.2.A.2.ii An open circuit is one in which charges would not be able to flow.
      • 11.2.A.2.iii A short circuit is one in which charges would be able to flow with no change in potential difference.
    • 11.2.A.3 A single circuit element may be part of multiple electrical loops.
    • 11.2.A.4 Circuit schematics are representations used to describe and analyze electric circuits.
      • 11.2.A.4.i The properties of an electric circuit are dependent on the physical arrangement of its constituent elements.
      • 11.2.A.4.ii Circuit elements have common symbols that are used to create schematic diagrams. Variable elements are indicated by a diagonal strikethrough arrow across the standard symbol for that element. (Symbols: Battery, Bulb, Switch, Capacitor, Resistor, Ammeter, Voltmeter, Inductor.)

    Boundary statement: Unless otherwise specified, all circuit schematic diagrams will be drawn using conventional current.

    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 11.2.A: Mô tả hành vi của một mạch điện.

    • 11.2.A.1 Một mạch điện bao gồm các vòng điện, có thể chứa dây dẫn, pin, điện trở, bóng đèn, tụ điện, cuộn cảm, công tắc, ampe kế và vôn kế.
    • 11.2.A.2 Một vòng điện kín là đường khép kín mà qua đó các điện tích có thể di chuyển.
      • 11.2.A.2.i Mạch kín là mạch mà trong đó các điện tích có thể di chuyển.
      • 11.2.A.2.ii Mạch hở là mạch mà trong đó các điện tích sẽ không thể di chuyển.
      • 11.2.A.2.iii Mạch ngắn là mạch mà trong đó các điện tích có thể di chuyển mà không có sự thay đổi hiệu điện thế.
    • 11.2.A.3 Một linh kiện mạch đơn lẻ có thể là một phần của nhiều vòng điện khác nhau.
    • 11.2.A.4 Sơ đồ mạch điện là các biểu diễn dùng để mô tả và phân tích mạch điện.
      • 11.2.A.4.i Các đặc tính của mạch điện phụ thuộc vào cách sắp xếp vật lý của các linh kiện cấu thành nên nó.
      • 11.2.A.4.ii Các linh kiện mạch điện có các ký hiệu tiêu chuẩn được sử dụng để vẽ sơ đồ mạch. Các linh kiện biến đổi được đánh dấu bằng một mũi tên chéo cắt ngang qua ký hiệu tiêu chuẩn của linh kiện đó. (Ký hiệu: Pin, Bóng đèn, Công tắc, Tụ điện, Điện trở, Ampe kế, Vôn kế, Cuộn cảm.)

    Câu phát biểu biên: Trừ khi có quy định khác, tất cả các sơ đồ mạch điện đều được vẽ theo chiều dòng điện quy ước.

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

    English

    A circuit is a set of closed loops built from wires, batteries, resistors, lightbulbs, capacitors, inductors, switches, and meters; charge can flow only around a closed path. One element can belong to several loops at once – that is what makes multi-loop problems interesting. Every analysis starts by reading the circuit diagram 电路图: trace each loop and identify which elements share the same current (series 串联) and which share the same potential difference (parallel 并联).

    Tiếng Việt

    Mạch điện là một tập hợp các vòng khép kín được xây dựng từ dây dẫn, pin, điện trở, bóng đèn, tụ điện, cuộn cảm, công tắc và các thiết bị đo; điện tích chỉ có thể chảy quanh một đường khép kín. Một linh kiện có thể thuộc về nhiều vòng cùng lúc – đó chính là điều khiến các bài toán nhiều vòng trở nên thú vị. Mọi phép phân tích đều bắt đầu bằng cách đọc sơ đồ mạch: truy vết từng vòng và xác định những linh kiện nào chia sẻ cùng dòng điện (nối tiếp) và những linh kiện nào chia sẻ cùng hiệu điện thế (nối song).

    Explore · ⁨Khám phá⁩

    Build series and parallel circuits · ⁨Xây dựng mạch nối tiếp và song song⁩

    In series the same current flows through every bulb and voltage divides; in parallel each branch gets the full voltage. Switch mode to see the bulbs' brightness change. · ⁨Trong nối tiếp, cùng một dòng điện chạy qua mỗi bóng đèn và hiệu điện thế chia sẻ; trong nối song, mỗi nhánh nhận đủ hiệu điện thế. Chuyển chế độ để xem độ sáng của bóng đèn thay đổi.⁩

    11.3

    Resistance, Resistivity, and Ohm's Law · ⁨Điện Trở, Điện Trở Suất, và Định Luật Ohm⁩

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 11.3.A: Describe the resistance of an object using physical properties of that object.

    • 11.3.A.1 Resistance is a measure of the degree to which an object opposes the movement of electric charge.
    • 11.3.A.2 The resistance of a resistor with uniform geometry is proportional to its resistivity and length and is inversely proportional to its cross-sectional area.
      • Equation: $R = \dfrac{\rho\ell}{A}$
      • 11.3.A.2.i Resistivity is a fundamental property of a material that depends on its atomic and molecular structure and quantifies how strongly the material opposes the motion of electric charge.
      • 11.3.A.2.ii The resistivity of a conductor typically increases with temperature.
      • 11.3.A.2.iii The total resistance of a resistor with uniform geometry, but that is made of a material whose resistivity varies along the length of the resistor, is given by $R = \int \dfrac{\rho(\ell)\,d\ell}{A}$.

    Learning Objective 11.3.B: Describe the electrical characteristics of elements of a circuit.

    • 11.3.B.1 Ohm's law relates current, resistance, and potential difference across a conductive element of a circuit.
      • Equation: $I = \dfrac{\Delta V}{R}$
      • 11.3.B.1.i Materials that obey Ohm's law have constant resistance for all currents and are called ohmic materials.
      • 11.3.B.1.ii The resistivity of an ohmic material is constant regardless of temperature.
      • 11.3.B.1.iii Resistors can also convert electrical energy to thermal energy, which may change the temperature of both the resistor and the resistor's environment.
      • 11.3.B.1.iv The resistance of an ohmic circuit element can be determined from the slope of a graph of the current in the element as a function of the potential difference across the element.
    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 11.3.A: Mô tả điện trở của một vật dựa trên các đặc tính vật lý của vật đó.

    • 11.3.A.1 Điện trở là thước đo mức độ mà một vật cản trở sự di chuyển của điện tích.
    • 11.3.A.2 Điện trở của một điện trở có hình dạng đồng nhất tỷ lệ thuận với điện trở suất và chiều dài của nó, và tỷ lệ nghịch với tiết diện ngang của nó.
      • Phương trình: $R = \dfrac{\rho\ell}{A}$
      • 11.3.A.2.i Điện trở suất là một đặc tính cơ bản của vật liệu phụ thuộc vào cấu trúc nguyên tử và phân tử của nó, và định lượng mức độ vật liệu cản trở sự di chuyển của điện tích.
      • 11.3.A.2.ii Điện trở suất của vật dẫn thường tăng lên khi nhiệt độ tăng.
      • 11.3.A.2.iii Điện trở tổng của một điện trở có hình học đồng nhất nhưng được làm từ vật liệu có điện trở suất thay đổi dọc theo chiều dài của nó được tính bởi $R = \int \dfrac{\rho(\ell)\,d\ell}{A}$.

    Mục tiêu học tập 11.3.B: Mô tả các đặc tính điện của các linh kiện trong mạch.

    • 11.3.B.1 Định luật Ohm liên hệ giữa cường độ dòng điện, điện trở và hiệu điện thế trên một linh kiện dẫn điện của mạch.
      • Phương trình: $I = \dfrac{\Delta V}{R}$
      • 11.3.B.1.i Các vật liệu tuân theo định luật Ohm có điện trở không đổi đối với mọi cường độ dòng điện và được gọi là vật liệu ohmic.
      • 11.3.B.1.ii Điện trở suất của vật liệu ohmic không đổi bất kể nhiệt độ.
      • 11.3.B.1.iii Điện trở cũng có thể chuyển hóa năng lượng điện thành nhiệt năng, điều này có thể làm thay đổi nhiệt độ của cả điện trở và môi trường xung quanh nó.
      • 11.3.B.1.iv Điện trở của một linh kiện mạch ohmic có thể được xác định từ độ dốc của đồ thị biểu diễn cường độ dòng điện trong linh kiện theo hiệu điện thế đặt lên linh kiện đó.

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

    English

    Resistance 电阻 measures how strongly an object opposes charge flow. It grows with the material's resistivity 电阻率 and the conductor's length, and shrinks with its area:

    $$R=\frac{\rho\,\ell}{A}.$$

    Ohm's law 欧姆定律 relates the current through an element to the potential difference across it:

    $$I=\frac{\Delta V}{R}.$$

    Worked example. Stretch a wire to double its length: the volume is fixed, so the area halves, and $R=\rho\ell/A$ becomes $\rho(2\ell)/(A/2)=4R$ – four times the resistance. An element is ohmic 欧姆性 if $R$ stays constant (a straight line through the origin on an $I$–$\Delta V$ graph); a lightbulb filament, which heats up, is not.

    Tiếng Việt

    Điện trở đo lường mức độ cản trở dòng chảy của điện tích đối với vật thể. Nó tăng lên khi điện trở suất của vật liệu và chiều dài của dẫn điện tăng, và giảm xuống khi tiết diện tăng:

    $$R=\frac{\rho\,\ell}{A}.$$

    Định luật Ohm liên hệ giữa dòng điện chạy qua một linh kiện với hiệu điện thế đặt lên nó:

    $$I=\frac{\Delta V}{R}.$$
    Dây dẫn dài hơn có điện trở lớn hơn; dây rộng hơn có điện trở nhỏ hơn
    Dây dẫn dài hơn có điện trở lớn hơn; dây rộng hơn có điện trở nhỏ hơn

    Ví dụ giải. Kéo dãn một sợi dây để gấp đôi chiều dài: thể tích không đổi, nên tiết diện giảm đi một nửa, và $R=\rho\ell/A$ trở thành $\rho(2\ell)/(A/2)=4R$ – tức là gấp bốn lần điện trở. Một linh kiện được gọi là ohmic nếu $R$ không đổi (đường thẳng đi qua gốc tọa độ trên đồ thị $I$–$\Delta V$); còn sợi dây tóc bóng đèn, khi nóng lên, thì không phải.

    Explore · ⁨Khám phá⁩

    Apply Ohm's law · ⁨Áp dụng định luật Ohm⁩

    Ohm's law $V=IR$: for a fixed resistance, current is proportional to voltage. Raise the resistance and the same voltage pushes less current. · ⁨Định luật Ohm $V=IR$: đối với điện trở không đổi, cường độ dòng điện tỷ lệ thuận với hiệu điện thế. Tăng điện trở thì cùng một hiệu điện thế sẽ đẩy ít dòng điện hơn.⁩

    Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
    English Tiếng Việt
    resistivity/ˌriːzɪˈstɪvəti/ điện trở suất
    Ohm's law/əʊmz lɔː/ Định luật Ohm
    ohmic/ˈəʊmɪk/ Tuân theo Ohm
    equivalent resistance/ɪˈkwɪvələnt rɪˈzɪstəns/ điện trở tương đương
    ideal battery/aɪˈdɪəl ˈbætəri/ Pin lý tưởng
    internal resistance/ɪnˈtɜːnl rɪˈzɪstəns/ điện trở trong
    terminal voltage/ˈtɜːmɪnl ˈvəʊltɪdʒ/ Điện áp đầu cực
    11.4

    Electric Power · ⁨Công Suất Điện⁩

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 11.4.A: Describe the transfer of energy into, out of, or within an electric circuit, in terms of power.

    • 11.4.A.1 The rate at which energy is transferred, converted, or dissipated by a circuit element depends on the current in the element and the electric potential difference across it.
      • Equation: $P = I\Delta V$
      • Equation: $P = I^2 R = \dfrac{\Delta V^2}{R}$
    • 11.4.A.2 The brightness of a lightbulb increases with power, so power can be used to qualitatively predict the brightness of lightbulbs in a circuit.

    Boundary statement: AP Physics C: Electricity & Magnetism only expects students to analyze the transfer of mechanical and electrical energy, although students should be aware that electrical energy can also be dissipated in the form of thermal energy.

    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 11.4.A: Mô tả sự truyền tải năng lượng vào, ra hoặc bên trong một mạch điện dưới góc độ công suất.

    • 11.4.A.1 Tốc độ năng lượng được truyền tải, chuyển đổi hoặc tiêu tán bởi một linh kiện mạch phụ thuộc vào cường độ dòng điện trong linh kiện và hiệu điện thế đặt lên linh kiện đó.
      • Phương trình: $P = I\Delta V$
      • Phương trình: $P = I^2 R = \dfrac{\Delta V^2}{R}$
    • 11.4.A.2 Độ sáng của bóng đèn tăng theo công suất, vì vậy công suất có thể được sử dụng để dự đoán định tính độ sáng của các bóng đèn trong mạch.

    Statement biên: AP Physics C: Điện & Từ chỉ yêu cầu học sinh phân tích sự truyền tải năng lượng cơ học và điện, mặc dù học sinh nên biết rằng năng lượng điện cũng có thể bị tiêu tán dưới dạng nhiệt năng.

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

    English

    A charge $q$ falling through a potential difference $\Delta V$ gives up energy $q\Delta V$, so the rate of energy transfer in an element is

    $$P=I\,\Delta V=I^2R=\frac{(\Delta V)^2}{R}.$$

    In a resistor all of it becomes heat. Use the form whose quantities you actually know – and use power to rank lightbulb brightness: brighter = more power, not necessarily more resistance. In series, the larger resistance is brighter ($P=I^2R$, same $I$); in parallel, the smaller one is ($P=\Delta V^2/R$, same $\Delta V$).

    Tiếng Việt

    Một điện tích $q$ rơi qua hiệu điện thế $\Delta V$ sẽ tiêu hao năng lượng $q\Delta V$, do đó tốc độ truyền năng lượng trong một linh kiện là

    $$P=I\,\Delta V=I^2R=\frac{(\Delta V)^2}{R}.$$

    Trong điện trở, toàn bộ năng lượng này chuyển thành nhiệt. Hãy sử dụng dạng phương trình mà bạn thực sự biết các đại lượng – và dùng công suất để xếp hạng độ sáng của bóng đèn: sáng hơn = công suất lớn hơn, không nhất thiết là điện trở lớn hơn. Trong nối tiếp, điện trở lớn hơn sẽ sáng hơn ($P=I^2R$, cùng $I$); trong nối song, điện trở nhỏ hơn sẽ sáng hơn ($P=\Delta V^2/R$, cùng $\Delta V$).

    Explore · ⁨Khám phá⁩

    Read an I-V characteristic · ⁨Đọc đồ thị đặc tuyến I-V⁩

    Power is $P=IV$. A resistor's I-V line is straight, but a lamp curves as it heats and its resistance rises. The area under I-V relates to the energy delivered. · ⁨Công suất là $P=IV$. Đồ thị I-V của điện trở là đường thẳng, nhưng của bóng đèn bị cong khi nó nóng lên và điện trở tăng. Diện tích dưới đồ thị I-V liên quan đến năng lượng truyền tải.⁩

    11.5

    Compound Direct Current Circuits · ⁨Các Mạch Dòng Điện Một Phức Hợp⁩

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 11.5.A: Describe the equivalent resistance of multiple resistors connected in a circuit.

    • 11.5.A.1 Circuit elements may be connected in series and/or in parallel.
      • 11.5.A.1.i A series connection is one in which any charge passing through one circuit element must proceed through all elements in that connection and has no other path available. The current in each element in series must be the same.
      • 11.5.A.1.ii A parallel connection is one in which charges may pass through one of two or more paths. Across each path, the potential difference is the same.
    • 11.5.A.2 A collection of resistors in a circuit may be analyzed as though it were a single resistor with an equivalent resistance $R_{\text{eq}}$.
      • 11.5.A.2.i The equivalent resistance of a set of resistors in series is the sum of the individual resistances.
        • Equation: $R_{\text{eq},s} = \sum_{i} R_i$
      • 11.5.A.2.ii The inverse of the equivalent resistance of a set of resistors connected in parallel is equal to the sum of the inverses of the individual resistances.
        • Equation: $\dfrac{1}{R_{\text{eq},p}} = \sum_{i} \dfrac{1}{R_i}$
      • 11.5.A.2.iii When resistors are connected in parallel, the number of paths available to charges increases, and the equivalent resistance of the group of resistors decreases.

    Learning Objective 11.5.B: Describe a circuit with resistive wires and a battery with internal resistance.

    • 11.5.B.1 Ideal batteries have negligible internal resistance. Ideal wires have negligible resistance.
      • 11.5.B.1.i The resistance of wires that are good conductors may normally be neglected, because their resistance is much smaller than that of other elements of a circuit.
      • 11.5.B.1.ii The resistance of wires may only be neglected if the circuit contains other elements that do have resistance.
      • 11.5.B.1.iii The potential difference a battery would supply if it were ideal is the potential difference measured across the terminals when there is no current in the battery and is sometimes referred to as its $\mathrm{emf}$ ($\mathcal{E}$).
    • 11.5.B.2 The internal resistance of a nonideal battery may be treated as the resistance of a resistor in series with an ideal battery and the remainder of the circuit.
    • 11.5.B.3 When there is current in a nonideal battery with internal resistance $r$, the potential difference across the terminals of the battery is reduced relative to the potential difference when there is no current in the battery.
      • Equation: $\Delta V_{\text{terminal}} = \mathcal{E} - Ir$

    Learning Objective 11.5.C: Describe the measurement of current and potential difference in a circuit.

    • 11.5.C.1 Ammeters are used to measure current at a specific point in a circuit.
      • 11.5.C.1.i Ammeters must be connected in series with the element in which current is being measured.
      • 11.5.C.1.ii Ideal ammeters have zero resistance so that they do not affect the current in the element that they are in series with.
    • 11.5.C.2 Voltmeters are used to measure electric potential difference between two points in a circuit.
      • 11.5.C.2.i Voltmeters must be connected in parallel with the element across which potential difference is being measured.
      • 11.5.C.2.ii Ideal voltmeters have infinite resistance so that no charge flows through them.
    • 11.5.C.3 Nonideal ammeters and voltmeters will change the properties of the circuit being measured.

    Boundary statement: Unless otherwise stated, all batteries, wires, and meters are assumed to be ideal. Circuits with batteries of different potential differences connected in parallel will not be assessed.

    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 11.5.A: Mô tả điện trở tương đương của nhiều điện trở mắc nối tiếp và/hoặc song song trong mạch.

    • 11.5.A.1 Các linh kiện mạch có thể được mắc nối tiếp và/hoặc song song.
      • 11.5.A.1.i Mắc nối tiếp là cách mắc mà mọi điện tích đi qua một linh kiện mạch nhất định bắt buộc phải đi qua tất cả các linh kiện trong cách mắc đó và không có đường đi nào khác. Cường độ dòng điện trong mỗi linh kiện mắc nối tiếp phải bằng nhau.
      • 11.5.A.1.ii Kết nối song song là cách mắc trong đó dòng điện có thể đi qua một trong hai hoặc nhiều đường dẫn khác nhau. Dọc theo mỗi đường dẫn, hiệu điện thế là như nhau.
    • 11.5.A.2 Một tập hợp các điện trở trong mạch có thể được phân tích như thể nó là một điện trở đơn với điện trở tương đương $R_{\text{eq}}$.
      • 11.5.A.2.i Điện trở tương đương của một tập hợp các điện trở mắc nối tiếp bằng tổng các điện trở riêng lẻ.
        • Phương trình: $R_{\text{eq},s} = \sum_{i} R_i$
      • 11.5.A.2.ii nghịch đảo của điện trở tương đương của một tập hợp các điện trở mắc song song bằng tổng các nghịch đảo của các điện trở riêng lẻ.
        • Phương trình: $\dfrac{1}{R_{\text{eq},p}} = \sum_{i} \dfrac{1}{R_i}$
      • 11.5.A.2.iii Khi các điện trở được mắc song song, số lượng đường dẫn cho phép các điện tích đi qua tăng lên, và điện trở tương đương của nhóm điện trở giảm xuống.

    Mục tiêu học tập 11.5.B: Mô tả một mạch gồm dây điện trở và pin có điện trở trong.

    • 11.5.B.1 Pin lý tưởng có điện trở trong không đáng kể. Dây dẫn lý tưởng có điện trở không đáng kể.
      • 11.5.B.1.i Điện trở của các dây dẫn dẫn điện tốt thường có thể bỏ qua, vì điện trở của chúng nhỏ hơn rất nhiều so với điện trở của các thành phần khác trong mạch.
      • 11.5.B.1.ii Điện trở của dây chỉ có thể bỏ qua nếu mạch chứa các thành phần khác có điện trở.
      • 11.5.B.1.iii Hiệu điện thế mà pin sẽ cung cấp nếu nó là lý tưởng chính là hiệu điện thế đo được giữa hai cực khi không có dòng điện chạy qua pin, và đôi khi được gọi là $\mathrm{emf}$ ($\mathcal{E}$).
    • 11.5.B.2 Điện trở trong của một pin không lý tưởng có thể được xem xét như điện trở của một điện trở mắc nối tiếp với pin lý tưởng và phần còn lại của mạch.
    • 11.5.B.3 Khi có dòng điện chạy trong một pin không lý tưởng có điện trở trong $r$, hiệu điện thế giữa hai cực của pin sẽ giảm so với hiệu điện thế khi không có dòng điện chạy qua pin.
      • Phương trình: $\Delta V_{\text{terminal}} = \mathcal{E} - Ir$

    Mục tiêu học tập 11.5.C: Mô tả việc đo cường độ dòng điện và hiệu điện thế trong một mạch.

    • 11.5.C.1 Ampe kế được dùng để đo cường độ dòng điện tại một điểm cụ thể trong mạch.
      • 11.5.C.1.i Ampe kế phải được mắc nối tiếp với thành phần đang đo dòng điện.
      • 11.5.C.1.ii Ampe kế lý tưởng có điện trở bằng không để không ảnh hưởng đến dòng điện trong thành phần mắc nối tiếp với nó.
    • 11.5.C.2 Vôn kế được dùng để đo hiệu điện thế giữa hai điểm trong mạch.
      • 11.5.C.2.i Vôn kế phải được mắc song song với thành phần mà hiệu điện thế đang được đo.
      • 11.5.C.2.ii Vôn kế lý tưởng có điện trở vô hạn để đảm bảo không có dòng điện nào chạy qua chúng.
    • 11.5.C.3 Ampe kế và vôn kế không lý tưởng sẽ làm thay đổi các đặc tính của mạch đang được đo.

    Statement biên: Trừ khi có tuyên bố khác, tất cả các pin, dây dẫn và thiết bị đo đều được giả định là lý tưởng. Các mạch có các pin có điện thế hiệu khác nhau được mắc song song sẽ không được đánh giá.

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

    English

    Reduce resistor networks to an equivalent resistance 等效电阻: series resistances add ($R_{\text{eq}}=R_1+R_2+\cdots$), while parallel resistances add as reciprocals ($\tfrac{1}{R_{\text{eq}}}=\tfrac{1}{R_1}+\tfrac{1}{R_2}+\cdots$ – always less than the smallest branch). Collapse the network step by step to find the battery current, then expand back out to find each element's current and voltage.

    Worked example. A $12\ \text{V}$ battery drives a $4.0\ \Omega$ and a $2.0\ \Omega$ resistor in series: $R_{\text{eq}}=6.0\ \Omega$, $I=2.0\ \text{A}$, the voltages split $8.0\ \text{V}$ and $4.0\ \text{V}$, and the $4.0\ \Omega$ resistor dissipates $P=I^2R=16\ \text{W}$.

    Real batteries are not ideal. Model a battery as an ideal battery 理想电池 of emf $\varepsilon$ in series with its own internal resistance 内阻 $r$. When current flows, some emf is used up inside, so the terminal voltage 端电压 – what a voltmeter across the battery actually reads – drops:

    $$\Delta V_{\text{terminal}}=\varepsilon-Ir.$$

    Worked example. A battery with $\varepsilon=12\ \text{V}$ and $r=0.50\ \Omega$ supplies $2.0\ \text{A}$: the terminals sit at $\Delta V=12-2.0(0.50)=11\ \text{V}$. With no current, a voltmeter reads the full $12\ \text{V}$.

    Meters: an ammeter 电流表 goes in series at the point whose current you want (ideal ammeter: zero resistance); a voltmeter 电压表 goes in parallel across the element (ideal voltmeter: infinite resistance). Non-ideal meters disturb the circuit they measure – a real ammeter adds series resistance, a real voltmeter steals current.

    Tiếng Việt

    Rút gọn mạng lưới điện trở thành điện trở tương đương: các điện trở nối tiếp cộng lại ($R_{\text{eq}}=R_1+R_2+\cdots$), trong khi các điện trở nối song cộng theo nghịch đảo ($\tfrac{1}{R_{\text{eq}}}=\tfrac{1}{R_1}+\tfrac{1}{R_2}+\cdots$ – luôn nhỏ hơn nhánh nhỏ nhất). Rút gọn mạng lưới từng bước để tìm dòng điện của pin, sau đó mở rộng trở lại để tìm dòng điện và điện áp của từng linh kiện.

    Ví dụ giải. Một nguồn $12\ \text{V}$ cấp cho hai điện trở $4.0\ \Omega$ và $2.0\ \Omega$ mắc nối tiếp: tổng điện trở là $R_{\text{eq}}=6.0\ \Omega$, dòng điện là $I=2.0\ \text{A}$, hiệu điện thế chia đều thành $8.0\ \text{V}$ và $4.0\ \text{V}$, và điện trở $4.0\ \Omega$ tiêu thụ công suất $P=I^2R=16\ \text{W}$.

    Các điện trở mắc song song tạo ra điện trở tương đương nhỏ hơn
    Các điện trở mắc song kết hợp thành điện trở tương đương nhỏ hơn

    Pin thực tế không phải là lý tưởng. Mô hình hóa một viên pin như một pin lý tưởng có suất điện động $\varepsilon$ mắc nối tiếp với điện trở trong $r$ của chính nó. Khi có dòng điện chạy qua, một phần suất điện động bị tiêu hao bên trong, nên hiệu điện thế hai cực – giá trị mà vôn kế đặt song song với pin thực tế đọc được – sẽ giảm xuống:

    $$\Delta V_{\text{terminal}}=\varepsilon-Ir.$$

    Ví dụ giải. Một pin có suất điện động $\varepsilon=12\ \text{V}$ và điện trở trong $r=0.50\ \Omega$ cung cấp dòng điện $2.0\ \text{A}$: hiệu điện thế hai cực ở mức $\Delta V=12-2.0(0.50)=11\ \text{V}$. Khi không có dòng điện, vôn kế đọc được đầy đủ $12\ \text{V}$.

    Các thiết bị đo: Ammeter (ampe kế) được mắc nối tiếp tại điểm muốn đo dòng điện (ampe kế lý tưởng: điện trở bằng 0); vôn kế được mắc nối song với linh kiện cần đo (vôn kế lý tưởng: điện trở vô hạn). Các thiết bị đo không lý tưởng sẽ làm nhiễu mạch đang đo – ampe kế thực tế thêm vào điện trở nối tiếp, vôn kế thực tế lấy cắp dòng điện.

    Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
    English Tiếng Việt
    parallel/ˈpærəlel/ song song
    Resistance/rɪˈzɪstəns/ Kháng cự
    ammeter/ˈæmiːtə/ vôn kế
    voltmeter/ˈvəʊltmiːtə/ vôn kế
    Kirchhoff's loop rule/ˈkɜːkhɒfs luːp ruːl/ Quy tắc vòng Kirchhoff
    Kirchhoff's junction rule/ˈkɜːkhɒfs ˈdʒʌŋkʃn ruːl/ Quy tắc nút Kirchhoff
    junction/ˈdʒʌŋkʃn/ nối
    equivalent capacitance/ɪˈkwɪvələnt kəˈpæsɪtəns/ Điện dung tương đương
    RC circuit/ˌɑː ˈsiː ˈsɜːkɪt/ mạch RC
    time constant/taɪm ˈkɒnstənt/ hằng số thời gian
    steady state/ˈstedi steɪt/ trạng thái ổn định
    11.6

    Kirchhoff's Loop Rule · ⁨Quy Tắc Vòng Kirchhoff⁩

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 11.6.A: Describe a circuit or elements of a circuit by applying Kirchhoff's loop rule.

    • 11.6.A.1 Energy changes in simple electrical circuits may be represented in terms of charges moving through electric potential differences within circuit elements.
      • Equation: $\Delta U_E = q\Delta V$
    • 11.6.A.2 Kirchhoff's loop rule is a consequence of the conservation of energy.
      • 11.6.A.2.i Kirchhoff's loop rule states that the sum of potential differences across all circuit elements in a single closed loop must equal zero.
        • Equation: $\sum \Delta V = 0$
      • 11.6.A.2.ii The values of electric potential at points in a circuit can be represented by a graph of electric potential as a function of position within a loop.
    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 11.6.A: Mô tả một mạch hoặc các thành phần của mạch bằng cách áp dụng quy tắc vòng Kirchhoff.

    • 11.6.A.1 Sự biến đổi năng lượng trong các mạch điện đơn giản có thể được biểu diễn dưới dạng các điện tích di chuyển qua các hiệu điện thế bên trong các thành phần mạch.
      • Phương trình: $\Delta U_E = q\Delta V$
    • 11.6.A.2 Quy tắc vòng Kirchhoff là hệ quả của định luật bảo toàn năng lượng.
      • 11.6.A.2.i Quy luật vòng Kirchhoff phát biểu rằng tổng các hiệu điện thế trên tất cả các linh kiện mạch trong một vòng khép kín duy nhất phải bằng không.
        • Phương trình: $\sum \Delta V = 0$
      • 11.6.A.2.ii Giá trị của điện thế tại các điểm trong mạch có thể được biểu diễn bằng đồ thị của điện thế theo vị trí trong một vòng khép kín.

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

    English

    Charges moving through potential differences exchange energy ($\Delta U_E=q\Delta V$), and energy must balance around any closed path. That is Kirchhoff's loop rule 基尔霍夫回路定则:

    $$\sum\Delta V=0\ \text{around any closed loop}.$$

    Sign discipline wins these problems: crossing a battery from $-$ to $+$ is $+\varepsilon$; crossing a resistor with the assumed current is $-IR$ (against it, $+IR$). Write one equation per independent loop.

    Tiếng Việt

    Các điện tích di chuyển qua hiệu điện thế trao đổi năng lượng ($\Delta U_E=q\Delta V$), và năng lượng phải cân bằng quanh bất kỳ đường khép kín nào. Đó chính là Quy tắc vòng Kirchhoff:

    $$\sum\Delta V=0\ \text{around any closed loop}.$$

    Kỷ luật dấu số sẽ giúp bạn chiến thắng các bài toán này: khi đi qua pin từ $-$ đến $+$ thì mang dấu $+\varepsilon$; khi đi qua điện trở cùng chiều với dòng điện giả định thì mang dấu $-IR$ (ngược chiều, mang dấu $+IR$). Viết một phương trình cho mỗi vòng độc lập.

    11.7

    Kirchhoff's Junction Rule · ⁨Quy Tắc Nhánh Kirchhoff⁩

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 11.7.A: Describe a circuit or elements of a circuit by applying Kirchhoff's junction rule.

    • 11.7.A.1 Kirchhoff's junction rule is a consequence of the conservation of electric charge.
    • 11.7.A.2 Kirchhoff's junction rule states that the total amount of charge entering a junction per unit time must equal the total amount of charge exiting that junction per unit time.
      • Equation: $\sum I_{\text{in}} = \sum I_{\text{out}}$
    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 11.7.A: Mô tả một mạch hoặc các thành phần của mạch bằng cách áp dụng quy tắc nút Kirchhoff.

    • 11.7.A.1 Quy tắc nút Kirchhoff là hệ quả của định luật bảo toàn điện tích.
    • 11.7.A.2 Quy tắc nút Kirchhoff phát biểu rằng tổng lượng điện tích đi vào một nút trong một đơn vị thời gian phải bằng tổng lượng điện tích đi ra khỏi nút đó trong một đơn vị thời gian.
      • Phương trình: $\sum I_{\text{in}} = \sum I_{\text{out}}$

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

    English

    Kirchhoff's junction rule 基尔霍夫节点定则 is conservation of charge at a junction 节点:

    $$\sum I_{\text{in}}=\sum I_{\text{out}}.$$

    Together the two rules solve any multi-loop circuit: assign a current to each branch, write junction equations, then loop equations, and solve. A negative answer just means that current flows opposite to your assumed direction.

    Worked example. In the circuit above, $\varepsilon_1=12\ \text{V}$ with $R_1=1.0\ \Omega$ on the left, $\varepsilon_2=9.0\ \text{V}$ with $R_2=1.0\ \Omega$ on the right, and a shared middle resistor $R_3=2.0\ \Omega$ carrying $I_3=I_1+I_2$ (junction rule). The two loop equations are

    $$12=I_1+2(I_1+I_2)=3I_1+2I_2,\qquad 9=I_2+2(I_1+I_2)=2I_1+3I_2.$$

    Solving: $I_1=3.6\ \text{A}$, $I_2=0.60\ \text{A}$, so $I_3=4.2\ \text{A}$ through the middle. Check with the second loop: $2(3.6)+3(0.60)=9.0$ ✓.

    Tiếng Việt

    Quy tắc nút Kirchhoff là sự bảo toàn điện tích tại một nút:

    $$\sum I_{\text{in}}=\sum I_{\text{out}}.$$
    Dòng điện phân nhánh tại một nút: lượng vào bằng lượng ra
    Dòng điện phân nhánh tại một nút: lượng vào bằng lượng ra

    Kết hợp cả hai quy tắc sẽ giải được mọi mạch nhiều vòng: gán dòng điện cho từng nhánh, viết các phương trình nút, sau đó viết các phương trình vòng và giải hệ phương trình. Kết quả âm chỉ có nghĩa là dòng điện thực tế chạy ngược với hướng giả định ban đầu của bạn.

    Hai phương trình vòng và một phương trình nút giải mạch hai pin này
    Hai phương trình vòng và một phương trình nút giải được mạch hai pin này

    Ví dụ giải. Trong mạch ở trên, nhánh trái có nguồn $\varepsilon_1=12\ \text{V}$ và điện trở $R_1=1.0\ \Omega$, nhánh phải có nguồn $\varepsilon_2=9.0\ \text{V}$ và điện trở $R_2=1.0\ \Omega$, và điện trở chung ở giữa $R_3=2.0\ \Omega$ mang dòng điện $I_3=I_1+I_2$ (theo quy tắc nút). Hai phương trình vòng là

    $$12=I_1+2(I_1+I_2)=3I_1+2I_2,\qquad 9=I_2+2(I_1+I_2)=2I_1+3I_2.$$

    Giải hệ: ta thu được $I_1=3.6\ \text{A}$, $I_2=0.60\ \text{A}$, suy ra dòng điện qua nhánh giữa là $I_3=4.2\ \text{A}$. Kiểm tra lại bằng vòng thứ hai: $2(3.6)+3(0.60)=9.0$ ✓.

    11.8

    Resistor-Capacitor (RC) Circuits · ⁨Mạch Điện Capacitor-Resistor (RC)⁩

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 11.8.A: Describe the equivalent capacitance of multiple capacitors.

    • 11.8.A.1 A collection of capacitors in a circuit may be analyzed as though it was a single capacitor with an equivalent capacitance $C_{\text{eq}}$.
      • 11.8.A.1.i The inverse of the equivalent capacitance of a set of capacitors connected in series is equal to the sum of the inverses of the individual capacitances.
        • Equation: $\dfrac{1}{C_{\text{eq},s}} = \sum_{i} \dfrac{1}{C_i}$
      • 11.8.A.1.ii The equivalent capacitance of a set of capacitors in series is less than the capacitance of the smallest capacitor.
      • 11.8.A.1.iii The equivalent capacitance of a set of capacitors in parallel is the sum of the individual capacitances.
        • Equation: $C_{\text{eq},p} = \sum_{i} C_i$
    • 11.8.A.2 As a result of conservation of charge, each of the capacitors in series must have the same magnitude of charge on each plate.

    Learning Objective 11.8.B: Describe the behavior of a circuit containing combinations of resistors and capacitors.

    • 11.8.B.1 The charge on a capacitor or the current in a resistor in an RC circuit can be described by a fundamental differential equation derived from Kirchhoff's loop rule.
      • Equation: $\mathcal{E} = \dfrac{dq}{dt}R + \dfrac{q}{C}$
    • 11.8.B.2 The time constant ($\tau$) is a significant feature of an RC circuit.
      • 11.8.B.2.i The time constant of an RC circuit is a measure of how quickly the capacitor will charge or discharge and is defined as $\tau = R_{\text{eq}}C_{\text{eq}}$.
      • 11.8.B.2.ii For a charging capacitor, the time constant represents the time required for the capacitor's charge to increase from zero to approximately 63 percent of its final asymptotic value.
      • 11.8.B.2.iii For a discharging capacitor, the time constant represents the time required for the capacitor's charge to decrease from fully charged to approximately 37 percent of its initial value.
    • 11.8.B.3 The potential difference across a capacitor and the current in the branch of the circuit containing the capacitor each change over time as the capacitor charges and discharges, but both will reach a steady state after a long time interval.
      • 11.8.B.3.i Immediately after being placed in a circuit, an uncharged capacitor acts like a wire, and charge can easily flow to or from the plates of the capacitor.
      • 11.8.B.3.ii As a capacitor charges, changes to the potential difference across the capacitor affect the charge on the plates of the capacitor, the current in the circuit branch in which the capacitor is located, and the electric potential energy stored in the capacitor.
      • 11.8.B.3.iii The potential difference across a capacitor, the current in the circuit branch in which the capacitor is located, and the electric potential energy stored in the capacitor all change with respect to time and asymptotically approach steady state conditions.
      • 11.8.B.3.iv After a long time, a charging capacitor approaches a state of being fully charged, reaching a maximum potential difference at which there is zero current in the circuit branch in which the capacitor is located.
      • 11.8.B.3.v Immediately after a charged capacitor begins discharging, the amount of charge on the capacitor and the energy stored in the capacitor begin to decrease.
      • 11.8.B.3.vi As a capacitor discharges, the amount of charge on the capacitor, the potential difference across the capacitor, and the current in the circuit branch in which the capacitor is located all decrease until a steady state is reached.
      • 11.8.B.3.vii After either charging or discharging for times much greater than the time constant, the capacitor and the relevant circuit branch may be modeled using steady-state conditions.
    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 11.8.A: Mô tả điện dung tương đương của nhiều tụ điện.

    • 11.8.A.1 Một tập hợp các tụ điện trong mạch có thể được phân tích như thể nó là một tụ điện đơn với điện dung tương đương $C_{\text{eq}}$.
      • 11.8.A.1.i Nghịch đảo của điện dung tương đương của một tập hợp các tụ điện mắc nối tiếp bằng tổng các nghịch đảo của các điện dung riêng lẻ.
        • Phương trình: $\dfrac{1}{C_{\text{eq},s}} = \sum_{i} \dfrac{1}{C_i}$
      • 11.8.A.1.ii Điện dung tương đương của một tập hợp các tụ điện mắc nối tiếp nhỏ hơn điện dung của tụ điện nhỏ nhất.
      • 11.8.A.1.iii Điện dung tương đương của một tập hợp các tụ điện mắc song song bằng tổng các điện dung riêng lẻ.
        • Phương trình: $C_{\text{eq},p} = \sum_{i} C_i$
    • 11.8.A.2 Do định luật bảo toàn điện tích, mỗi tụ điện trong mạch mắc nối tiếp phải mang cùng độ lớn điện tích trên mỗi bản tụ.

    Mục tiêu học tập 11.8.B: Mô tả hành vi của mạch bao gồm sự kết hợp của điện trở và tụ điện.

    • 11.8.B.1 Điện tích trên tụ điện hoặc dòng điện trong điện trở của một mạch RC có thể được mô tả bởi một phương trình vi phân cơ bản được suy ra từ quy tắc vòng Kirchhoff.
      • Phương trình: $\mathcal{E} = \dfrac{dq}{dt}R + \dfrac{q}{C}$
    • 11.8.B.2 Hằng số thời gian ($\tau$) là một đặc điểm đáng chú ý của mạch RC.
      • 11.8.B.2.i Hằng thời gian của mạch RC là thước đo tốc độ mà tụ điện sẽ nạp hoặc xả điện và được xác định bởi $\tau = R_{\text{eq}}C_{\text{eq}}$.
      • 11.8.B.2.ii Đối với tụ điện đang nạp, hằng số thời gian biểu thị khoảng thời gian cần thiết để điện tích của tụ tăng từ không đến khoảng 63 phần trăm giá trị tiệm cận cuối cùng.
      • 11.8.B.2.iii Đối với tụ điện đang xả, hằng số thời gian biểu thị khoảng thời gian cần thiết để điện tích của tụ giảm từ trạng thái nạp đầy xuống còn khoảng 37 phần trăm giá trị ban đầu.
    • 11.8.B.3 Điện thế hiệu giữa hai đầu tụ điện và dòng điện trong nhánh mạch chứa tụ điện đều thay đổi theo thời gian khi tụ điện sạc và xả, nhưng cả hai sẽ đạt đến trạng thái ổn định sau một khoảng thời gian dài.
      • 11.8.B.3.i Ngay sau khi được đặt vào mạch, một tụ điện chưa nạp đóng vai trò như một dây dẫn, và điện tích có thể dễ dàng chảy vào hoặc ra các bản tụ.
      • 11.8.B.3.ii Khi tụ điện đang nạp, những thay đổi về hiệu điện thế giữa hai bản tụ ảnh hưởng đến điện tích trên các bản tụ, dòng điện trong nhánh mạch chứa tụ, và năng lượng điện thế được lưu trữ trong tụ.
      • 11.8.B.3.iii Hiệu điện thế giữa hai bản tụ, dòng điện trong nhánh mạch chứa tụ, và năng lượng điện thế được lưu trữ trong tụ đều thay đổi theo thời gian và tiệm cận dần về trạng thái ổn định.
      • 11.8.B.3.iv Sau một thời gian dài, tụ điện đang nạp tiến gần đến trạng thái nạp đầy, đạt hiệu điện thế cực đại tại đó dòng điện trong nhánh mạch chứa tụ bằng không.
      • 11.8.B.3.v Ngay sau khi tụ điện đã nạp bắt đầu xả, lượng điện tích trên tụ và năng lượng được lưu trữ trong tụ bắt đầu giảm đi.
      • 11.8.B.3.vi Khi tụ điện đang xả, lượng điện tích trên tụ, hiệu điện thế giữa hai bản tụ, và dòng điện trong nhánh mạch chứa tụ đều giảm cho đến khi đạt được trạng thái ổn định.
      • 11.8.B.3.vii Sau khi nạp hoặc xả trong khoảng thời gian lớn hơn nhiều so với hằng số thời gian, tụ điện và nhánh mạch liên quan có thể được mô hình hóa bằng các điều kiện trạng thái ổn định.

    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)

    Capacitor networks reduce like resistors but with the rules swapped: parallel capacitances add ($C_{\text{eq}}=C_1+C_2$), series add as reciprocals – and capacitors in series must carry the same charge on each plate, by conservation of charge. Use the equivalent capacitance 等效电容 to analyse the network, then expand back.

    In an RC circuit RC电路, Kirchhoff's loop rule gives the differential equation

    $$\varepsilon=R\frac{dq}{dt}+\frac{q}{C},$$

    whose solutions are exponentials with time constant 时间常数 $\tau=RC$:

    $$q(t)=Q\big(1-e^{-t/RC}\big)\ \text{(charging)},\qquad q(t)=Q\,e^{-t/RC}\ \text{(discharging)},\qquad i(t)=\frac{\varepsilon}{R}e^{-t/RC}.$$

    The current is largest at the first instant and decays – it never "waits" for the capacitor. Learn the two limits: at $t=0$ an uncharged capacitor acts like a plain wire (maximum current); after a long time it is fully charged, no current flows in its branch, and it acts like a break. In any steady state 稳态, cover the capacitor branch with your finger, solve the resistor circuit, then read the capacitor's voltage from the element it sits across.

    Worked example. With $R=5.0\ \text{k}\Omega$, $C=200\ \mu\text{F}$, and a $10\ \text{V}$ battery: $\tau=RC=1.0\ \text{s}$; initial current $\dfrac{\varepsilon}{R}=2.0\ \text{mA}$; after one time constant the charge is $q=CV(1-e^{-1})\approx1.3\times10^{-3}\ \text{C}$, about $63\%$ of full charge, and the current has fallen to $37\%$ of its initial value.

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

    Mạng lưới tụ điện rút gọn giống như điện trở nhưng với các quy tắc hoán đổi: điện dung nối song cộng lại ($C_{\text{eq}}=C_1+C_2$), nối tiếp cộng theo nghịch đảo – và các tụ điện mắc nối tiếp phải mang cùng một điện tích trên mỗi bản tụ, theo định luật bảo toàn điện tích. Sử dụng điện dung tương đương để phân tích mạng lưới, sau đó mở rộng trở lại.

    Trong một mạch RC, quy tắc vòng Kirchhoff cho ra phương trình vi phân

    $$\varepsilon=R\frac{dq}{dt}+\frac{q}{C},$$

    có nghiệm là hàm mũ với hằng số thời gian $\tau=RC$:

    $$q(t)=Q\big(1-e^{-t/RC}\big)\ \text{(charging)},\qquad q(t)=Q\,e^{-t/RC}\ \text{(discharging)},\qquad i(t)=\frac{\varepsilon}{R}e^{-t/RC}.$$

    Dòng điện đạt giá trị lớn nhất ngay tại thời điểm đầu tiên và sau đó giảm dần – nó không bao giờ "chờ" tụ điện. Hãy học hai giới hạn: tại thời điểm $t=0$, tụ điện chưa tích điện hoạt động như một dây dẫn thông thường (dòng điện tối đa); sau một khoảng thời gian dài, tụ điện đã tích điện đầy đủ, không có dòng điện chạy qua nhánh của nó, và nó hoạt động như một đoạn mạch hở. Trong bất kỳ trạng thái ổn định nào, hãy che nhánh tụ điện bằng ngón tay, giải mạch điện trở, sau đó đọc hiệu điện thế của tụ điện từ linh kiện nằm ngang hàng với nó.

    Điện tích trên tụ điện suy giảm theo hàm exponential khi xả
    Điện tích trên tụ điện suy giảm theo hàm exponential khi xả

    Ví dụ giải. Với nguồn $R=5.0\ \text{k}\Omega$, điện trở $C=200\ \mu\text{F}$ và pin $10\ \text{V}$: điện dung tương đương là $\tau=RC=1.0\ \text{s}$; dòng điện ban đầu là $\dfrac{\varepsilon}{R}=2.0\ \text{mA}$; sau một hằng số thời gian, điện tích là $q=CV(1-e^{-1})\approx1.3\times10^{-3}\ \text{C}$, xấp xỉ $63\%$ của điện tích tối đa, và dòng điện đã giảm xuống còn $37\%$ so với giá trị ban đầu.

    Một mạch điện tử được xây dựng trên bảng thử nghiệm
    Một mạch điện thực tế trên bảng breadboard: điện trở và tụ điện cùng nhau quyết định tốc độ điện áp tăng và giảm
    11.8

    Exam tips · ⁨Mẹo làm bài thi⁩

    English
    • Relate current to charge flow $I=\tfrac{dQ}{dt}$ and use $J=\sigma E$, $R=\tfrac{\rho L}{A}$ for resistance.
    • Apply Kirchhoff's laws (junction: charge; loop: energy) with consistent sign conventions.
    • Analyse RC circuits with calculus: charging/discharging give exponentials with time constant $\tau=RC$.
    • Combine resistors (series add, parallel reciprocal) and track power $P=IV=I^2R$.
    • At $t=0$ a capacitor acts like a wire; after a long time ($t\to\infty$) it acts like an open branch.
    Tiếng Việt
    • Liên hệ dòng điện với dòng tải $I=\tfrac{dQ}{dt}$ và sử dụng $J=\sigma E$, $R=\tfrac{\rho L}{A}$ cho điện trở.
    • Áp dụng định luật Kirchhoff (nút: tải; vòng: năng lượng) với quy ước dấu nhất quán.
    • Phân tích mạch RC bằng giải tích: quá trình nạp/xả tạo ra hàm mũ với hằng số thời gian $\tau=RC$.
    • Kết hợp điện trở (nối tiếp cộng, nối song nghịch đảo) và theo dõi công suất $P=IV=I^2R$.
    • Tại thời điểm $t=0$, tụ điện hoạt động giống như một dây dẫn; sau một khoảng thời gian dài ($t\to\infty$) nó hoạt động giống như một nhánh hở.
  • 12

    Magnetic Fields and Electromagnetism · ⁨Từ trường và điện từ⁩

    Watch lesson · ⁨Xem bài học⁩
    12.1

    Magnetic Fields · ⁨Từ Trường⁩

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    Learning ObjectiveEssential Knowledge

    12.1.A
    Describe the properties of a magnetic field.

    • 12.1.A.1 A magnetic field is a vector field that can be used to determine the magnetic force exerted on moving electric charges, electric currents, or magnetic materials.
      • 12.1.A.1.i Magnetic fields can be produced by magnetic dipoles or combinations of dipoles, but never by monopoles.
      • 12.1.A.1.ii Magnetic dipoles have north and south polarity.
    • 12.1.A.2 A magnetic field is a vector quantity and can be represented using vector field maps.
    • 12.1.A.3 Magnetic field lines must form closed loops, as described by Gauss's law for magnetism.
      • 12.1.A.3.i Maxwell's equations are the collection of equations that fully describe electromagnetism. Gauss's law for magnetism is Maxwell's second equation.
        • Equation: $\oint \vec{B} \cdot d\vec{A} = 0$
      • 12.1.A.3.ii Magnetic fields in a bar magnet form closed loops, with the external magnetic field pointing away from one end (defined as the north pole) and returning to the other end (defined as the south pole).

    12.1.B
    Describe the magnetic behavior of a material as a result of the configuration of magnetic dipoles in the material.

    • 12.1.B.1 Magnetic dipoles result from the circular or rotational motion of electric charges. In magnetic materials, this can be the motion of electrons.
      • 12.1.B.1.i Permanent magnetism and induced magnetism are system properties that both result from the alignment of magnetic dipoles within a system.
      • 12.1.B.1.ii No magnetic north pole is ever found in isolation from a south pole. For example, if a bar magnet is broken in half, both halves are magnetic dipoles.
      • 12.1.B.1.iii Magnetic poles of the same polarity will repel; magnetic poles of opposite polarity will attract.
      • 12.1.B.1.iv The magnitude of the magnetic field from a magnetic dipole decreases with increasing distance from the dipole.
    • 12.1.B.2 A magnetic dipole, such as a magnetic compass, placed in a magnetic field will tend to align with the magnetic field.
    • 12.1.B.3 A material's composition influences its magnetic behavior in the presence of an external magnetic field.
      • 12.1.B.3.i Ferromagnetic materials such as iron, nickel, and cobalt can be permanently magnetized by an external field that causes the alignment of magnetic domains or atomic magnetic dipoles.
      • 12.1.B.3.ii Paramagnetic materials such as aluminum, titanium, and magnesium interact weakly with an external magnetic field, in that the magnetic dipoles of the material do not remain aligned after the external field is removed.
      • 12.1.B.3.iii All materials have the property of diamagnetism, in that their electronic structure creates a usually weak alignment of the dipole moments of the material opposite the external magnetic field.
    • 12.1.B.4 Earth's magnetic field may be approximated as a magnetic dipole.

    12.1.C
    Describe the magnetic permeability of a material.

    • 12.1.C.1 Magnetic permeability is a measurement of the amount of magnetization in a material in response to an external magnetic field.
    • 12.1.C.2 Free space has a constant value of magnetic permeability, known as the vacuum permeability $\mu_0$, that appears in equations representing physical relationships.
    • 12.1.C.3 The permeability of matter has values different from that of free space and arises from the matter's composition and arrangement. It is not a constant for a material and varies based on many factors, including temperature, orientation, and strength of the external field.

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

    English

    A magnetic field 磁场 $\vec{B}$ is a vector field 矢量场 that surrounds magnets, moving charges, and currents; it determines the magnetic force on any moving charge placed in it. Magnetic field lines 磁感线 must form closed loops: they leave the north pole, return to the south pole, and continue through the magnet. Denser lines mean a stronger field.

    Closed loops are the content of Gauss's law for magnetism, the second of Maxwell's equations 麦克斯韦方程组:

    $$\oint \vec{B}\cdot d\vec{A}=0.$$

    The net magnetic flux through any closed surface is zero – as many field lines leave as enter. That is exactly the statement that isolated magnetic monopoles 磁单极子 do not exist. Every source of magnetism is a magnetic dipole 磁偶极子 (a north–south pair), made by circulating charge – in materials, the motion of electrons. Break a bar magnet in half and you get two smaller dipoles, never a lone pole. Like poles repel, opposite poles attract, and a free dipole – a compass 指南针 – rotates to line up with the local field. Earth's own field is approximately a dipole, which is why a compass works. Dipole fields weaken with distance.

    How a material responds to an external field depends on how its internal dipoles behave:

    • Ferromagnetic 铁磁性 (iron, nickel, cobalt): an external field aligns whole magnetic domains 磁畴, and the alignment survives after the field is removed – a permanent magnet.
    • Paramagnetic 顺磁性 (aluminum, titanium): dipoles align weakly with the field but relax when it is removed.
    • Diamagnetic 抗磁性 (all materials): the electronic structure produces a usually weak alignment opposite to the field.

    The strength of a material's response is its magnetic permeability 磁导率. Free space has the constant value $\mu_0$ (the vacuum permeability); the permeability of matter differs from $\mu_0$ and is not even constant – it varies with temperature, orientation, and field strength.

    Tiếng Việt

    Trường từ $\vec{B}$ là một trường vectơ bao quanh nam châm, các điện tích chuyển động và dòng điện; nó xác định lực từ tác dụng lên bất kỳ điện tích chuyển động nào đặt trong đó. Đường sức từ phải tạo thành vòng khép kín: chúng đi ra từ cực Bắc, quay về cực Nam, và tiếp tục đi qua bên trong nam châm. Đường sức càng dày thì trường càng mạnh.

    Các đường sức chạy từ N đến S bên ngoài nam châm thanh
    Các đường sức chạy từ N đến S bên ngoài nam châm thanh

    Vòng khép kín là nội dung của định luật Gauss cho từ tính, phương trình thứ hai trong các phương trình Maxwell:

    $$\oint \vec{B}\cdot d\vec{A}=0.$$

    Từ thông tổng hợp qua bất kỳ mặt đóng nào cũng bằng không – số đường sức đi ra bằng số đường sức đi vào. Điều đó có nghĩa chính xác là các đơn cực từ đơn lẻ không tồn tại. Mọi nguồn từ đều là nam châm đôi (cặp Bắc–Nam), được tạo bởi dòng điện tích tuần hoàn – trong vật liệu, do chuyển động của electron. Nếu phá một nam châm thanh làm đôi, bạn sẽ thu được hai nam châm đôi nhỏ hơn, chứ không bao giờ là một đơn cực riêng lẻ. Cùng cực đẩy nhau, khác cực hút nhau, và một nam châm đôi tự do – một la bàn – sẽ quay để căn chỉnh theo trường cục bộ. Trường của Trái Đất xấp xỉ là một nam châm đôi, đó là lý do la bàn hoạt động. Trường nam châm đôi yếu dần theo khoảng cách.

    Cách một vật liệu phản ứng với trường bên ngoài phụ thuộc vào hành vi của các nam châm đôi bên trong nó:

    • Sắt từ (sắt, niken, coban): một trường bên ngoài căn chỉnh toàn bộ các vùng từ hóa, và sự căn chỉnh này duy trì sau khi bỏ trường – tạo thành nam châm vĩnh cửu.
    • Thuận từ (nhôm, titan): các nam châm đôi căn chỉnh yếu với trường nhưng giãn nở khi bỏ trường đi.
    • Nghịch từ (tất cả vật liệu): cấu trúc điện tử tạo ra sự căn chỉnh thường yếu ngược chiều với trường.

    Cường độ phản ứng của vật liệu là độ từ thẩm. Không gian tự do có giá trị hằng số $\mu_0$ (độ từ thẩm chân không); độ từ thẩm của vật chất khác với $\mu_0$ và thậm chí không phải hằng số – nó thay đổi theo nhiệt độ, hướng và cường độ trường.

    Cực quang: các hạt mang điện từ Mặt Trời bị điều hướng bởi trường từ Trái Đất về phía cực
    Cực quang: các hạt mang điện từ Mặt Trời bị điều hướng bởi trường từ Trái Đất về phía cực
    Explore · ⁨Khám phá⁩

    See a magnet's field lines · ⁨Quan sát các đường sức từ của nam châm⁩

    Magnetic field lines run from north to south outside a magnet; where they crowd together the field is strongest. · ⁨Các đường từ trường chạy từ cực Bắc sang Nam bên ngoài nam châm; nơi chúng dày đặc thì từ trường mạnh nhất.⁩

    Watch lesson · ⁨Xem bài học⁩
    12.2

    Magnetism and Moving Charges · ⁨Từ Tính và Điện Tích Chuyển Động⁩

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 12.2.A: Describe the magnetic field produced by moving charged objects.

    • 12.2.A.1 A single moving charged object produces a magnetic field.
      • 12.2.A.1.i The magnetic field at a particular point produced by a moving charged object depends on the object's velocity and the distance between the point and the object.
      • 12.2.A.1.ii At a point in space, the direction of the magnetic field produced by a moving charged object is perpendicular to both the velocity of the object and the position vector from the object to that point in space and can be determined using the right-hand rule.
      • 12.2.A.1.iii The magnitude of the magnetic field is a maximum when the velocity vector and the position vector from the object to that point in space are perpendicular.

    Learning Objective 12.2.B: Describe the force exerted on moving charged objects by a magnetic field.

    • 12.2.B.1 A magnetic field will exert a force on a charged object moving within that field, with magnitude and direction that depend on the cross-product of the charge's velocity and the magnetic field.
      • Equation: $\vec{F}_B = q\left(\vec{v} \times \vec{B}\right)$
    • 12.2.B.2 In a region containing both a magnetic field and an electric field, a moving charged object will experience independent forces from each field.
    • 12.2.B.3 The Hall effect describes the potential difference created in a conductor by an external magnetic field that has a component perpendicular to the direction of charges moving in the conductor.
    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 12.2.A: Mô tả từ trường sinh ra bởi các vật mang điện chuyển động.

    • 12.2.A.1 Một vật mang điện đơn lẻ khi chuyển động sẽ sinh ra từ trường.
      • 12.2.A.1.i Từ trường tại một điểm cụ thể sinh ra bởi vật mang điện chuyển động phụ thuộc vào vận tốc của vật và khoảng cách giữa điểm đó và vật.
      • 12.2.A.1.ii Tại một điểm trong không gian, phương của từ trường sinh ra bởi vật mang điện chuyển động vuông góc với cả vận tốc của vật và vectơ vị trí từ vật đến điểm đó trong không gian; có thể xác định bằng quy tắc bàn tay phải.
      • 12.2.A.1.iii Độ lớn của từ trường đạt cực đại khi vectơ vận tốc và vectơ vị trí từ vật đến điểm đó trong không gian vuông góc với nhau.

    Mục tiêu học tập 12.2.B: Mô tả lực tác dụng lên các vật mang điện chuyển động bởi từ trường.

    • 12.2.B.1 Một từ trường sẽ tác dụng lực lên một vật mang điện chuyển động trong từ trường đó, với độ lớn và phương phụ thuộc vào tích có hướng giữa vận tốc của điện tích và từ trường.
      • Phương trình: $\vec{F}_B = q\left(\vec{v} \times \vec{B}\right)$
    • 12.2.B.2 Trong vùng chứa cả từ trường và điện trường, một vật mang điện chuyển động sẽ chịu tác dụng của các lực độc lập từ mỗi trường.
    • 12.2.B.3 Hiệu ứng Hall mô tả hiệu điện thế sinh ra trong một vật dẫn khi có từ trường ngoài có thành phần vuông góc với phương chuyển động của các điện tích trong vật dẫn.

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

    English
    A moving charge in a magnetic field

    A moving charge does two things: it creates a magnetic field, and it feels a force in an external one. The field it creates at a point is perpendicular 垂直 to both its velocity and the position vector from charge to point (right-hand rule again), and is largest where those two are perpendicular – zero directly ahead of or behind the motion.

    The force on a charge moving in a field $\vec{B}$ is the cross product

    $$\vec{F}_B=q\,\vec{v}\times\vec{B},\qquad F=qvB\sin\theta,$$

    perpendicular to both $\vec{v}$ and $\vec{B}$ – point the fingers of your right hand along $\vec{v}$, curl toward $\vec{B}$, and the thumb gives the force on a positive charge (reverse it for negative). Because $\vec{F}_B\perp\vec{v}$, the magnetic force does no work on the charge: it changes direction, never speed.

    A charge moving perpendicular to a uniform field therefore travels in a circle, the magnetic force supplying the centripetal force 向心力:

    $$qvB=\frac{mv^2}{r}\quad\Rightarrow\quad r=\frac{mv}{qB},\qquad T=\frac{2\pi m}{qB}.$$

    Notice the period $T$ does not depend on the speed – faster particles ride larger circles in the same time.

    Worked example. A proton ($q=1.6\times10^{-19}\ \text{C}$, $m=1.67\times10^{-27}\ \text{kg}$) enters a $0.50\ \text{T}$ field at $2.0\times10^{5}\ \text{m/s}$, perpendicular to it. The magnetic force $F=qvB=1.6\times10^{-14}\ \text{N}$ bends it into a circle of radius $r=\dfrac{mv}{qB}=\dfrac{1.67\times10^{-27}(2.0\times10^{5})}{1.6\times10^{-19}(0.50)}=4.2\times10^{-3}\ \text{m}$.

    In a region with both an electric and a magnetic field, the two forces act independently and add as vectors. Balancing them makes a velocity selector 速度选择器: with $\vec{E}$ and $\vec{B}$ crossed, only charges with $qE=qvB$, i.e. $v=E/B$, pass straight through. The Hall effect 霍尔效应 is the same physics inside a conductor: a field with a component perpendicular to the current pushes the moving carriers sideways, charge builds up on one face, and a measurable potential difference appears across the conductor – its sign reveals whether the carriers are positive or negative.

    Tiếng Việt
    Một điện tích chuyển động trong trường từ

    Một điện tích chuyển động thực hiện hai việc: nó tạo ra một trường từ, và nó cảm thấy một lực trong trường bên ngoài. Trường mà nó tạo ra tại một điểm là vuông góc với cả vận tốc và vectơ vị trí từ điện tích đến điểm đó (lại áp dụng quy tắc bàn tay phải), và đạt cực đại nơi hai vectơ này vuông góc – bằng không ngay phía trước hoặc phía sau hướng chuyển động.

    Lực tác dụng lên một điện tích chuyển động trong trường $\vec{B}$ là tích có hướng

    $$\vec{F}_B=q\,\vec{v}\times\vec{B},\qquad F=qvB\sin\theta,$$

    vuông góc với cả $\vec{v}$ và $\vec{B}$ – chỉ các ngón tay phải dọc theo $\vec{v}$, cuộn về phía $\vec{B}$, và ngón cái sẽ chỉ ra lực tác dụng lên điện tích dương (đảo ngược cho điện tích âm). Vì $\vec{F}_B\perp\vec{v}$, lực từ không thực hiện công lên điện tích: nó chỉ thay đổi hướng, không thay đổi tốc độ.

    Một điện tích chuyển động vuông góc với trường đều do đó di chuyển theo quỹ đạo tròn, lực từ cung cấp lực hướng tâm:

    $$qvB=\frac{mv^2}{r}\quad\Rightarrow\quad r=\frac{mv}{qB},\qquad T=\frac{2\pi m}{qB}.$$

    Lưu ý chu kỳ $T$ không phụ thuộc vào tốc độ – các hạt nhanh hơn di chuyển trên đường tròn lớn hơn nhưng mất cùng một khoảng thời gian.

    Hạt mang điện chuyển động xuyên qua từ trường sẽ di chuyển theo quỹ đạo tròn
    Hạt mang điện chuyển động xuyên qua từ trường sẽ di chuyển theo quỹ đạo tròn

    Ví dụ minh họa. Một proton ($q=1.6\times10^{-19}\ \text{C}$, $m=1.67\times10^{-27}\ \text{kg}$) đi vào $0.50\ \text{T}$ field ở $2.0\times10^{5}\ \text{m/s}$, vuông góc với nó. Lực từ $F=qvB=1.6\times10^{-14}\ \text{N}$ bẻ cong quỹ đạo thành một đường tròn có bán kính $r=\dfrac{mv}{qB}=\dfrac{1.67\times10^{-27}(2.0\times10^{5})}{1.6\times10^{-19}(0.50)}=4.2\times10^{-3}\ \text{m}$.

    Trong vùng có cả điện trường và từ trường, hai lực này tác động độc lập và cộng lại như các vectơ. Cân bằng chúng tạo thành bộ chọn lọc vận tốc: với $\vec{E}$ và $\vec{B}$ vuông góc, chỉ những điện tích có $qE=qvB$, tức là $v=E/B$, mới đi thẳng qua. Hiệu ứng Hall là cùng vật lý đó xảy ra bên trong vật dẫn: một trường có thành phần vuông góc với dòng điện đẩy các hạt tải điện lệch sang ngang, điện tích tích tụ trên một mặt, và xuất hiện hiệu điện thế đo được across vật dẫn – dấu của hiệu điện thế này tiết lộ xem hạt tải điện là dương hay âm.

    Explore · ⁨Khám phá⁩

    Force on a moving charge · ⁨Lực tác dụng lên điện tích chuyển động⁩

    A charge moving through a magnetic field feels a force $F=qvB$ at right angles to both its velocity and the field — the basis of the motor effect. Reverse either and the force flips. · ⁨Điện tích chuyển động trong từ trường chịu một lực $F=qvB$ vuông góc với cả vận tốc lẫn từ trường — đây là cơ sở của hiệu ứng động cơ. Đảo ngược bất kỳ đại lượng nào thì lực đảo chiều.⁩

    Watch lesson · ⁨Xem bài học⁩
    12.3

    Magnetic Fields of Current-Carrying Wires · ⁨Từ trường của dây dẫn có dòng điện⁩

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 12.3.A: Describe the magnetic field produced by a current-carrying wire.

    • 12.3.A.1 The Biot-Savart law defines the magnitude and direction of a magnetic field created by an electrical current.
      • Equation: $d\vec{B} = \dfrac{\mu_0}{4\pi} \dfrac{I(d\vec{\ell} \times \hat{r})}{r^2}$
    • 12.3.A.2 The magnetic field vectors around a small segment of a current-carrying wire are tangent to concentric circles centered on that wire. The field has no component toward, away from, or parallel to the segment of the current-carrying wire.
    • 12.3.A.3 The Biot-Savart law can be used to derive the magnitudes and directions of magnetic fields around segments of current-carrying wires, for example at the center of a circular loop of wire.
      • Equation: $B_{\text{center of loop}} = \dfrac{\mu_0 I}{2R}$

    Learning Objective 12.3.B: Describe the force exerted on current-carrying wires by a magnetic field.

    • 12.3.B.1 A magnetic field will exert a force on a current-carrying wire.
      • Equation: $\vec{F}_B = \int I\left(d\vec{\ell} \times \vec{B}\right)$

    Boundary statement: AP Physics C: Electricity & Magnetism only expects students to perform quantitative analysis of certain cases of current-carrying conductors using the Biot-Savart law, such as at a location along the perpendicular bisector of a straight conductor, at a location along the central axis of a circular loop, or at the center of a segment of a circular loop.

    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 12.3.A: Mô tả từ trường sinh ra bởi dây dẫn mang điện.

    • 12.3.A.1 Định luật Biot-Savart xác định độ lớn và phương của từ trường do dòng điện tạo ra.
      • Phương trình: $d\vec{B} = \dfrac{\mu_0}{4\pi} \dfrac{I(d\vec{\ell} \times \hat{r})}{r^2}$
    • 12.3.A.2 Các vectơ từ trường xung quanh một đoạn nhỏ của dây dẫn mang dòng điện tiếp xúc với các đường tròn đồng tâm tâm tại dây dẫn đó. Từ trường không có thành phần hướng vào, ra xa hay song song với đoạn dây dẫn mang dòng điện.
    • 12.3.A.3 Định luật Biot-Savart có thể được sử dụng để suy diễn độ lớn và phương của từ trường xung quanh các đoạn dây dẫn mang dòng điện, ví dụ như tại tâm của một vòng tròn dây dẫn.
      • Phương trình: $B_{\text{center of loop}} = \dfrac{\mu_0 I}{2R}$

    Mục tiêu học tập 12.3.B: Mô tả lực tác dụng lên các dây dẫn mang dòng điện bởi từ trường.

    • 12.3.B.1 Một từ trường sẽ tác dụng lực lên một dây dẫn mang dòng điện.
      • Phương trình: $\vec{F}_B = \int I\left(d\vec{\ell} \times \vec{B}\right)$

    Tuyên bố giới hạn: AP Physics C: Điện & Từ chỉ yêu cầu học sinh thực hiện phân tích định lượng cho một số trường hợp cụ thể của vật dẫn mang dòng điện bằng định luật Biot-Savart, chẳng hạn như tại vị trí trên đường trung trực của một dây dẫn thẳng, tại vị trí trên trục trung tâm của một vòng tròn, hoặc tại tâm của một đoạn vòng tròn.

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

    English
    The magnetic field around a current

    A current is a stream of moving charges, so it creates a magnetic field. The Biot–Savart law 毕奥-萨伐尔定律 adds up the field of each current element:

    $$d\vec{B}=\frac{\mu_0}{4\pi}\frac{I\,d\vec{l}\times\hat{r}}{r^2}.$$

    Around any straight segment the field vectors are tangent 相切 to concentric circles 同心圆 centred on the wire – no component toward, away from, or along the wire. Curl your right hand around the wire with the thumb along the current: your fingers give the field direction.

    The Biot–Savart integrals AP expects: a long straight wire ($B=\dfrac{\mu_0 I}{2\pi r}$, or a point on the perpendicular bisector of a finite wire), and the centre of a circular loop,

    $$B_{\text{centre of loop}}=\frac{\mu_0 I}{2R},$$

    where every element $d\vec{l}$ is perpendicular to $\hat{r}$ and equally distant $R$ – say that in an FRQ derivation. An arc that is a fraction of a full circle contributes that same fraction of $\mu_0 I/2R$ at its centre.

    A field also pushes on a current-carrying wire, element by element:

    $$\vec{F}_B=\int I\,d\vec{l}\times\vec{B}\qquad(\vec{F}=I\vec{L}\times\vec{B}\ \text{for a straight wire in a uniform field}).$$

    Worked example. Two long parallel wires a distance $d=0.10\ \text{m}$ apart each carry $5.0\ \text{A}$ in the same direction. Wire 1's field at wire 2 is $B=\dfrac{\mu_0 I}{2\pi d}=1.0\times10^{-5}\ \text{T}$, so wire 2 feels $\dfrac{F}{L}=I B=5.0\times10^{-5}\ \text{N/m}$, pulled toward wire 1. Same-direction currents attract; opposite currents repel.

    Tiếng Việt
    Từ trường xung quanh dòng điện

    Dòng điện là dòng các điện tích chuyển động, nên nó tạo ra từ trường. Định luật Biot–Savart cộng gộp trường của mỗi phần tử dòng điện:

    $$d\vec{B}=\frac{\mu_0}{4\pi}\frac{I\,d\vec{l}\times\hat{r}}{r^2}.$$

    Xung quanh bất kỳ đoạn thẳng nào, các vectơ trường là tiếp tuyến với các vòng tròn đồng tâm tâm tại dây dẫn – không có thành phần hướng vào, ra hoặc dọc theo dây. Cuộn bàn tay phải quanh dây dẫn với ngón cái dọc theo chiều dòng điện: các ngón tay sẽ chỉ ra hướng của trường.

    Các đường sức từ hình tròn đồng tâm bao quanh một dây dẫn thẳng mang dòng điện
    Các đường sức từ hình tròn đồng tâm bao quanh một dây dẫn thẳng mang dòng điện

    Các tích phân Biot–Savart mà đề AP yêu cầu: một dây dẫn thẳng dài ($B=\dfrac{\mu_0 I}{2\pi r}$, hoặc một điểm trên đường trung trực của dây hữu hạn), và tâm của vòng tròn,

    $$B_{\text{centre of loop}}=\frac{\mu_0 I}{2R},$$

    nơi mỗi phần tử $d\vec{l}$ vuông góc với $\hat{r}$ và cách đều $R$ – hãy nói rõ điều này trong bài giải FRQ. Một cung tròn chiếm một phân số của vòng tròn đầy đủ sẽ đóng góp đúng phân số đó của $\mu_0 I/2R$ tại tâm của nó.

    Trường từ cũng tác dụng lực lên dây dẫn có dòng điện, từng phần tử một:

    $$\vec{F}_B=\int I\,d\vec{l}\times\vec{B}\qquad(\vec{F}=I\vec{L}\times\vec{B}\ \text{for a straight wire in a uniform field}).$$

    Ví dụ minh họa. Hai dây dẫn song song dài cách nhau $d=0.10\ \text{m}$, mỗi dây mang $5.0\ \text{A}$ theo cùng chiều. Trường từ của dây 1 tại dây 2 là $B=\dfrac{\mu_0 I}{2\pi d}=1.0\times10^{-5}\ \text{T}$, do đó dây 2 cảm thấy $\dfrac{F}{L}=I B=5.0\times10^{-5}\ \text{N/m}$, bị kéo về phía dây 1. Dòng điện cùng chiều thì hút nhau; dòng điện ngược chiều thì đẩy nhau.

    Sắt vụn xung quanh cuộn dây có dòng điện
    Cuộn dây mang dòng điện (solenoid) tạo ra từ trường có hình dạng giống hệt như từ trường của nam châm thanh
    Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
    English Tiếng Việt
    magnetic field/mæɡˈnetɪk fiːld/ từ trường
    vector field/ˈvektə fiːld/ Trường vector
    magnetic field lines/mæɡˈnetɪk fiːld laɪnz/ Đường sức từ
    Maxwell's equations/ˈmækswelz ɪˈkweɪʒnz/ Phương trình Maxwell
    magnetic monopoles/mæɡˈnetɪk ˈmɒnəʊpəʊlz/ Đơn cực từ
    magnetic dipole/mæɡˈnetɪk ˈdaɪpəʊl/ Hai cực từ
    compass/ˈkʌmpəs/ la bàn
    Ferromagnetic/ˌferəməɡˈnetɪk/ Sắt từ
    magnetic domains/mæɡˈnetɪk dəˈmeɪnz/ Miền từ
    Paramagnetic/ˌpærəməɡˈnetɪk/ Từ tính
    Diamagnetic/ˌdaɪəməɡˈnetɪk/ Chống từ
    magnetic permeability/mæɡˈnetɪk ˌpɜːməˈbɪlɪti/ Độ từ thẩm
    perpendicular/ˌpɜːpənˈdɪkjʊlə/ vuông góc
    centripetal force/senˈtrɪpɪtl fɔːs/ lực lượng hướng tâm
    velocity selector/vəˈlɒsɪti sɪˈlektə/ bộ chọn vận tốc
    Hall effect/hɔːl ɪˈfekt/ hiệu ứng Hall
    Biot–Savart law/ˈbɪɒt ˈsævɑːt lɔː/ định定律 Biot–Savart
    tangent/ˈtændʒənt/ tiếp tuyến
    concentric circles/kənˈsentrɪk ˈsɜːklz/ Vòng tròn đồng tâm
    Ampère's law/ˈæmpeəz lɔː/ Định luật Ampère
    Amperian loop/æmˈpɪərɪən luːp/ vòng Amperian
    current density/ˈkʌrənt ˈdensɪti/ Mật độ dòng điện
    solenoid/ˈsəʊlənɔɪd/ solenoid
    Watch lesson · ⁨Xem bài học⁩
    12.4

    Ampère's Law · ⁨Định luật Ampère⁩

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 12.4.A: Use Ampère's law to describe the magnetic field created by a moving charge carrier.

    • 12.4.A.1 Ampère's law relates the magnitude of the magnetic field to the current enclosed by a closed imaginary path called an Amperian loop.
      • Equation: $\oint \vec{B} \cdot d\vec{\ell} = \mu_0 I_{\text{enc}}$
      • 12.4.A.1.i Ampère's law can be used to determine the magnetic field near a long, straight current-carrying wire.
        • Equation: $B_{\text{wire}} = \dfrac{\mu_0}{2\pi} \dfrac{I}{r}$
      • 12.4.A.1.ii Unless otherwise stated, all solenoids are assumed to be very long, with uniform magnetic fields inside the solenoids and negligible magnetic fields outside the solenoids.
      • 12.4.A.1.iii Ampère's law can be used to determine the magnetic field inside of a long solenoid.
        • Equation: $B_{\text{sol}} = \mu_0 n I$
    • 12.4.A.2 An Amperian loop is a closed path around a current-carrying conductor.
    • 12.4.A.3 The principle of superposition can be used to determine the net magnetic field at a point in space created by various combinations of current-carrying conductors, or conducting loops, segments, or cylinders.
    • 12.4.A.4 Maxwell's equations are the collection of equations that fully describe electromagnetism. Maxwell's fourth equation is Ampère's law with Maxwell's addition; it states that magnetic fields can be generated by electric current (Ampère's law) and that a changing electric field creates a magnetic field, similar to the way a moving charge creates a magnetic field (Maxwell's addition).
      • Equation: $\oint \vec{B} \cdot d\vec{\ell} = \mu_0 I + \mu_0 \varepsilon_0 \dfrac{d\Phi_E}{dt}$

    Boundary statement: AP Physics C: Electricity & Magnetism only expects quantitative application of Ampère's law limited to situations involving symmetrical magnetic fields. Long straight wires, long solenoids carrying currents, as well as conductive slabs or cylindrical conductors carrying a current density, are the types of shapes to which Ampère's law will be applied on the AP Physics C: Electricity & Magnetism Exam.

    Boundary statement: AP Physics C: Electricity & Magnetism does not expect students to use Maxwell's fourth equation with a changing electric field. However, students should understand that a changing electric field generates a magnetic field.

    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 12.4.A: Sử dụng định luật Ampère để mô tả từ trường do một hạt tải điện chuyển động tạo ra.

    • 12.4.A.1 Định luật Ampere liên hệ độ lớn của từ trường với dòng điện bị bao quanh bởi một đường kín giả tưởng gọi là vòng Ampe.
      • Phương trình: $\oint \vec{B} \cdot d\vec{\ell} = \mu_0 I_{\text{enc}}$
      • 12.4.A.1.i Định luật Ampère có thể được sử dụng để xác định từ trường gần một dây dẫn dài, thẳng mang dòng điện.
        • Phương trình: $B_{\text{wire}} = \dfrac{\mu_0}{2\pi} \dfrac{I}{r}$
      • 12.4.A.1.ii Trừ khi có quy định khác, tất cả các cuộn dây solenoid đều được giả định là rất dài, với từ trường đều bên trong và từ trường bên ngoài có thể bỏ qua.
      • 12.4.A.1.iii Định luật Ampère có thể được sử dụng để xác định từ trường bên trong một cuộn dây solenoid dài.
        • Phương trình: $B_{\text{sol}} = \mu_0 n I$
    • 12.4.A.2 Vòng Ampe là một đường kín bao quanh một dây dẫn mang dòng điện.
    • 12.4.A.3 Nguyên lý chồng chập có thể được sử dụng để xác định từ trường tổng hợp tại một điểm trong không gian tạo ra bởi sự kết hợp của nhiều vật dẫn mang dòng điện, hoặc các vòng dẫn, đoạn dẫn, hoặc trụ dẫn.
    • 12.4.A.4 Các phương trình Maxwell là tập hợp các phương trình mô tả đầy đủ về điện từ học. Phương trình thứ tư của Maxwell là định luật Ampère với bổ sung của Maxwell; nó phát biểu rằng từ trường có thể được tạo ra bởi dòng điện (định luật Ampère) và rằng một điện trường biến thiên tạo ra từ trường, tương tự như cách một điện tích chuyển động tạo ra từ trường (bổ sung của Maxwell).
      • Phương trình: $\oint \vec{B} \cdot d\vec{\ell} = \mu_0 I + \mu_0 \varepsilon_0 \dfrac{d\Phi_E}{dt}$

    Tuyên bố giới hạn: AP Physics C: Điện & Từ chỉ yêu cầu áp dụng định lượng định luật Ampère giới hạn trong các tình huống có từ trường đối xứng. Dây dẫn thẳng dài, cuộn dây solenoid dài mang dòng điện, cũng như các tấm dẫn hoặc trụ dẫn mang mật độ dòng điện là các loại hình dạng mà định luật Ampère sẽ được áp dụng trong kỳ thi AP Physics C: Điện & Từ.

    Tuyên bố giới hạn: AP Physics C: Điện & Từ không yêu cầu học sinh sử dụng phương trình thứ tư của Maxwell với điện trường biến thiên. Tuy nhiên, học sinh cần hiểu rằng một điện trường biến thiên sinh ra từ trường.

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

    English

    For symmetric current distributions, Ampère's law 安培定律 finds the field far faster than Biot–Savart:

    $$\oint \vec{B}\cdot d\vec{l}=\mu_0 I_{\text{enc}}.$$

    Choose an Amperian loop 安培环路 that matches the symmetry, so that $B$ is constant along the loop (and parallel to it) and comes out of the integral. AP applies it to long straight wires, long solenoids, and conductors carrying a current density 电流密度 (slabs and cylinders); combinations are handled by superposition 叠加.

    Worked example. Find the field $0.10\ \text{m}$ from a long wire carrying $5.0\ \text{A}$. A circular loop of radius $r$ shares the field's symmetry, so $B(2\pi r)=\mu_0 I$ and

    $$B=\frac{\mu_0 I}{2\pi r}=\frac{(4\pi\times10^{-7})(5.0)}{2\pi(0.10)}=1.0\times10^{-5}\ \text{T}.$$

    A long solenoid 螺线管 (assumed: uniform field inside, negligible field outside) is the other classic. Take a rectangular loop with one side of length $L$ inside, parallel to the axis: only that side contributes to the integral, so $BL=\mu_0 (nL) I$ and

    $$B_{\text{sol}}=\mu_0 n I,$$

    with $n$ the turns per metre.

    Worked example (cylinder). A solid cylindrical conductor of radius $R$ carries current $I$ spread uniformly over its cross-section. Inside ($r), a circular loop encloses $I_{\text{enc}}=I\dfrac{r^2}{R^2}$, so $B=\dfrac{\mu_0 I r}{2\pi R^2}$ – the field grows linearly to the surface, then falls off as $1/r$ outside.

    Exam skill. Every Ampère's-law answer earns its marks in the setup: name the loop, state why $B$ is constant and parallel to it (symmetry), and count $I_{\text{enc}}$ carefully before you solve. Maxwell's fourth equation adds one more idea you should know qualitatively: a changing electric field also creates a magnetic field – but AP will not ask you to compute with that term.

    Tiếng Việt

    Đối với các phân bố dòng điện đối xứng, định luật Ampère tìm ra trường từ nhanh hơn nhiều so với Biot–Savart:

    $$\oint \vec{B}\cdot d\vec{l}=\mu_0 I_{\text{enc}}.$$

    Chọn một vòng Amperian phù hợp với tính đối xứng, sao cho $B$ là hằng số dọc theo vòng (và song song với nó) và có thể đưa ra ngoài dấu tích phân. AP áp dụng điều này cho các dây dẫn thẳng dài, cuộn dây solenoid dài và vật dẫn mang mật độ dòng điện (tấm phẳng và trụ); các trường hợp tổ hợp được xử lý bằng nguyên lý superposition.

    Ví dụ minh họa. Tìm từ trường $0.10\ \text{m}$ tạo bởi một dây dẫn dài mang $5.0\ \text{A}$. Một vòng tròn bán kính $r$ chia sẻ tính đối xứng của từ trường, do đó $B(2\pi r)=\mu_0 I$ và

    $$B=\frac{\mu_0 I}{2\pi r}=\frac{(4\pi\times10^{-7})(5.0)}{2\pi(0.10)}=1.0\times10^{-5}\ \text{T}.$$

    Một cuộn dây solenoid dài (giả sử: từ trường đều bên trong, từ trường bên ngoài bỏ qua) là trường hợp cổ điển khác. Lấy một vòng chữ nhật có một cạnh dài $L$ nằm bên trong, song song với trục: chỉ cạnh đó đóng góp vào tích phân, nên $BL=\mu_0 (nL) I$ và

    $$B_{\text{sol}}=\mu_0 n I,$$

    với $n$ là số vòng quay trên mét.

    Vòng Amperian hình chữ nhật suy ra từ trường đều bên trong solenoid
    Vòng Amperian hình chữ nhật suy ra từ trường đều bên trong solenoid

    Ví dụ minh họa (trụ). Một vật dẫn dạng trụ đặc bán kính $R$ mang dòng điện $I$ phân bố đều trên tiết diện. Bên trong ($r), một vòng tròn bao quanh $I_{\text{enc}}=I\dfrac{r^2}{R^2}$, nên $B=\dfrac{\mu_0 I r}{2\pi R^2}$ – từ trường tăng tuyến tính đến bề mặt, sau đó giảm theo $1/r$ ở bên ngoài.

    Kỹ năng làm bài thi. Mọi câu trả lời định luật Ampère đều kiếm được điểm ở phần thiết lập: đặt tên vòng Ampe, nêu lý do vì sao $B$ là hằng số và song song với nó (do đối xứng), và đếm $I_{\text{enc}}$ cẩn thận trước khi giải. Phương trình thứ tư của Maxwell bổ sung thêm một ý tưởng bạn cần nắm vững về mặt định tính: một điện trường biến thiên cũng tạo ra từ trường – nhưng đề AP sẽ không yêu cầu bạn tính toán với số hạng đó.

    Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
    English Tiếng Việt
    superposition/ˌsuːpəpəˈzɪʃn/ sự chồng chập
    12.4

    Exam tips · ⁨Mẹo làm bài thi⁩

    English
    • The magnetic force $\vec F=q\vec v\times\vec B$ is perpendicular to velocity — use the right-hand rule and note it does no work.
    • A charge in a uniform field moves in a circle with $r=\tfrac{mv}{qB}$.
    • Find the field of currents with Biot–Savart $d\vec B=\tfrac{\mu_0}{4\pi}\tfrac{I\,d\vec l\times\hat r}{r^2}$ or Ampère's law $\oint \vec B\cdot d\vec l=\mu_0 I_{enc}$ when there is symmetry.
    • Force on a wire is $\vec F=I\vec L\times\vec B$; keep the cross-product direction straight.
    • Distinguish the force on a charge from the field the current creates.
    Tiếng Việt
    • Lực từ $\vec F=q\vec v\times\vec B$ vuông góc với vận tốc – hãy dùng quy tắc bàn tay phải và lưu ý rằng lực này không thực hiện công.
    • Điện tích chuyển động trong từ trường đều theo quỹ đạo tròn với $r=\tfrac{mv}{qB}$.
    • Tìm từ trường của dòng điện bằng Biot–Savart $d\vec B=\tfrac{\mu_0}{4\pi}\tfrac{I\,d\vec l\times\hat r}{r^2}$ hoặc định luật Ampère $\oint \vec B\cdot d\vec l=\mu_0 I_{enc}$ khi có tính đối xứng.
    • Lực tác dụng lên dây dẫn là $\vec F=I\vec L\times\vec B$; hãy giữ đúng hướng của tích có hướng.
    • Phân biệt lực tác dụng lên điện tích và từ trường mà dòng điện tạo ra.
  • 13

    Electromagnetic Induction · ⁨Cảm ứng điện từ⁩

    Watch lesson · ⁨Xem bài học⁩
    13.1

    Magnetic Flux

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 13.1.A: Describe the magnetic flux through an arbitrary area or geometric shape.

    • 13.1.A.1 For a magnetic field $\vec{B}$ that is constant across an area $\vec{A}$, the magnetic flux through the area is defined as $\Phi_B = \vec{B} \cdot \vec{A}$ .
      • 13.1.A.1.i The area vector is defined as perpendicular to the plane of the surface and outward from a closed surface.
      • 13.1.A.1.ii The sign of flux is given by the dot product of the magnetic field vector and the area vector.
    • 13.1.A.2 The total magnetic flux passing through a surface is defined by the surface integral of the magnetic field over the surface area.
      • Equation: $\Phi_B = \displaystyle\int \vec{B} \cdot d\vec{A}$
    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 13.1.A: Mô tả thông lượng từ đi qua một diện tùy ý hoặc hình học.

    • 13.1.A.1 Đối với từ trường $\vec{B}$ không đổi trên một diện $\vec{A}$, thông lượng từ qua diện này được xác định là $\Phi_B = \vec{B} \cdot \vec{A}$ .
      • 13.1.A.1.i Vectơ diện được xác định là vuông góc với mặt phẳng bề mặt và hướng ra bên ngoài đối với bề mặt khép kín.
      • 13.1.A.1.ii Dấu của thông lượng được xác định bởi tích vô hướng của vectơ từ trường và vectơ diện.
    • 13.1.A.2 Tổng thông lượng từ đi qua một bề mặt được xác định bởi tích phân bề mặt của từ trường trên diện tích bề mặt.
      • Phương trình: $\Phi_B = \displaystyle\int \vec{B} \cdot d\vec{A}$

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

    Magnetic flux 磁通量 measures how much magnetic field passes through a surface. For a uniform field through a flat loop it is the dot product $\Phi_B=\vec{B}\cdot\vec{A}=BA\cos\theta$; in general it is the surface integral 面积分

    $$\Phi_B=\int \vec{B}\cdot d\vec{A}.$$

    The area vector 面积矢量 is perpendicular to the surface (outward from a closed one), and the sign of the flux comes from the dot product. Flux changes if $B$ changes, the area changes, or the loop turns – keep all three routes in mind, because each one is an exam question.

    Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
    English Tiếng Việt
    Magnetic flux/mæɡˈnetɪk flʌks/ Từ thông
    surface integral/ˈsɜːfɪs ˈɪntɪɡrəl/ Tích phân bề mặt
    area vector/ˈeərɪə ˈvektə/ véc-tơ diện tích
    13.2

    Electromagnetic Induction

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 13.2.A: Describe the induced electric potential difference resulting from a change in magnetic flux.

    • 13.2.A.1 Faraday's law describes the relationship between changing magnetic flux and the resulting induced emf in a system.
      • Equation: $\mathcal{E} = -\dfrac{d\Phi_B}{dt} = -\dfrac{d\left(\vec{B} \cdot \vec{A}\right)}{dt}$
      • 13.2.A.1.i When the area of the surface being considered is constant, the induced emf is equal to the area multiplied by the rate of change in the component of the magnetic field perpendicular to the surface.
      • 13.2.A.1.ii When the magnetic field is constant, the induced emf is equal to the magnetic field multiplied by the rate of change in area perpendicular to the magnetic field.
      • 13.2.A.1.iii When an emf is induced in a long solenoid, the total induced emf is equal to the induced emf in a single loop multiplied by the number of loops in the solenoid.
        • Equation: $\left|\mathcal{E}_{\text{sol}}\right| = N\left|\dfrac{d\Phi_B}{dt}\right|$
    • 13.2.A.2 Lenz's law is used to determine the direction of an induced emf resulting from a changing magnetic flux.
      • 13.2.A.2.i An induced emf generates a current that creates a magnetic field that opposes the change in magnetic flux.
      • 13.2.A.2.ii The right-hand rule is used to determine the relationships between current, emf, and magnetic flux.
    • 13.2.A.3 Maxwell's equations are the collection of equations that fully describe electromagnetism. Maxwell's third equation is Faraday's law of induction, which describes the relationship between a changing magnetic flux and an induced electric field.
      • Equation: $\mathcal{E} = \oint \vec{E} \cdot d\vec{\ell} = -\dfrac{d\Phi_B}{dt}$
    • 13.2.A.4 Maxwell's equations can be used to show that electric and magnetic fields obey wave equations and that electromagnetic waves travel at a constant speed in free space.
      • Equation (derived): $c = \dfrac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \mu_0}}$

    Boundary statement: AP Physics C: Electricity & Magnetism does not expect students to mathematically derive the speed of light in free space from Maxwell's equations. This relationship is included above solely as an indication of the further applications, implications, and connections to physical phenomena that students may study in more advanced physics courses.

    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 13.2.A: Mô tả hiệu điện thế cảm ứng sinh ra từ sự thay đổi thông lượng từ.

    • 13.2.A.1 Định luật Faraday mô tả mối quan hệ giữa sự thay đổi thông lượng từ và suất điện động cảm ứng sinh ra trong hệ thống.
      • Phương trình: $\mathcal{E} = -\dfrac{d\Phi_B}{dt} = -\dfrac{d\left(\vec{B} \cdot \vec{A}\right)}{dt}$
      • 13.2.A.1.i Khi diện tích bề mặt đang xét không đổi, suất điện động cảm ứng bằng diện tích nhân với tốc độ thay đổi của thành phần từ trường vuông góc với bề mặt.
      • 13.2.A.1.ii Khi từ trường không đổi, suất điện động cảm ứng bằng từ trường nhân với tốc độ biến thiên của diện tích vuông góc với từ trường.
      • 13.2.A.1.iii Khi có suất điện động cảm ứng trong một cuộn dây solenoid dài, tổng suất điện động cảm ứng bằng suất điện động cảm ứng trong một vòng xoắn đơn nhân với số vòng xoắn trong solenoid.
        • Phương trình: $\left|\mathcal{E}_{\text{sol}}\right| = N\left|\dfrac{d\Phi_B}{dt}\right|$
    • 13.2.A.2 Định luật Lenz được sử dụng để xác định hướng của suất điện động cảm ứng phát sinh từ sự biến thiên của từ thông.
      • 13.2.A.2.i Suất điện động cảm ứng sinh ra dòng điện tạo ra từ trường opposes sự biến thiên của từ thông (tương phản lại sự biến thiên của từ thông).
      • 13.2.A.2.ii Quy tắc bàn tay phải được sử dụng để xác định mối quan hệ giữa dòng điện, suất điện động và từ thông.
    • 13.2.A.3 Các phương trình Maxwell là tập hợp các phương trình mô tả đầy đủ về điện từ học. Phương trình thứ ba của Maxwell chính là định luật cảm ứng Faraday, mô tả mối liên hệ giữa sự biến thiên từ thông và điện trường cảm ứng.
      • Phương trình: $\mathcal{E} = \oint \vec{E} \cdot d\vec{\ell} = -\dfrac{d\Phi_B}{dt}$
    • 13.2.A.4 Các phương trình Maxwell có thể được sử dụng để chứng minh rằng điện trường và từ trường tuân theo phương trình sóng và sóng điện từ truyền đi với vận tốc không đổi trong chân không.
      • Phương trình (suy ra): $c = \dfrac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \mu_0}}$

    Tuyên bố biên giới: AP Physics C: Điện & Từ không yêu cầu học sinh phải suy diễn toán học vận tốc ánh sáng trong chân không từ các phương trình Maxwell. Mối liên hệ này chỉ được đưa vào ở trên nhằm mục đích chỉ ra các ứng dụng sâu hơn, hệ quả và sự liên kết với các hiện tượng vật lý mà học sinh có thể nghiên cứu trong các khóa vật lý nâng cao hơn.

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

    Electromagnetic induction

    A changing flux induces an emf 电动势 – Faraday's law 法拉第定律:

    $$\varepsilon=-\frac{d\Phi_B}{dt}.$$

    With constant area, $\varepsilon=-A\,\dfrac{dB_\perp}{dt}$; with constant field, $\varepsilon=-B\,\dfrac{dA_\perp}{dt}$. A coil of $N$ turns multiplies the single-loop emf: $|\varepsilon_{\text{sol}}|=N\left|\dfrac{d\Phi_B}{dt}\right|$.

    Lenz's law 楞次定律 is the minus sign: the induced current 感应电流 flows so that its own magnetic field opposes the change in flux that created it. Push a magnet toward a loop and the loop pushes back; pull it away and the loop pulls it in. Use the right-hand rule 右手定则 to turn "oppose the change" into a current direction.

    Moving a magnet into a coil induces an e.m.f. that drives a current
    Moving a magnet into a coil induces an e.m.f. that drives a current

    A rod of length $L$ sliding at speed $v$ across a field is the special case worth memorising – the motional emf 动生电动势 $\varepsilon=BLv$.

    Worked example. A $0.20\ \text{m}$ rod slides at $3.0\ \text{m/s}$ across a $0.50\ \text{T}$ field: $\varepsilon=BLv=0.50(0.20)(3.0)=0.30\ \text{V}$. Equivalently, if a single loop's flux drops from $0.020\ \text{Wb}$ to $0.008\ \text{Wb}$ in $0.030\ \text{s}$, the average emf is $\varepsilon=\dfrac{0.012}{0.030}=0.40\ \text{V}$.

    Faraday's law is also the third of Maxwell's equations 麦克斯韦方程组, in a deeper form: a changing magnetic flux creates a circulating electric field, $\oint\vec{E}\cdot d\vec{l}=-\dfrac{d\Phi_B}{dt}$ – that field is what pushes the charges around the loop. Together, Maxwell's equations predict electromagnetic waves 电磁波 travelling at $c=1/\sqrt{\varepsilon_0\mu_0}$ (you should know this connection, but AP will not ask you to derive it).

    The coiled rotor of an electric motor
    Coils of wire spinning in a magnetic field: moving them past the field induces a current, the basis of a generator
    A substation transformer: changing magnetic flux in coils induces the voltages that power the grid
    A substation transformer: changing magnetic flux in coils induces the voltages that power the grid
    Explore · ⁨Khám phá⁩

    Induce a current by moving a magnet · ⁨Cảm ứng dòng điện bằng cách di chuyển nam châm⁩

    A changing magnetic flux through a coil induces an EMF (Faraday's law); its direction opposes the change (Lenz's law). Move the magnet faster for a bigger EMF. · ⁨Từ thông thay đổi qua cuộn dây cảm ứng ra suất điện động (định luật Faraday); chiều của nó opposing sự thay đổi (định luật Lenz). Di chuyển nam châm nhanh hơn để có suất điện động lớn hơn.⁩

    Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
    English Tiếng Việt
    emf/emf/ EMF
    Faraday's law/ˈfærədeɪz lɔː/ Định luật Faraday
    Lenz's law/ˈlentsɪz lɔː/ Định luật Lenz
    induced current/ɪnˈdjuːst ˈkʌrənt/ dòng điện cảm ứng
    right-hand rule/raɪt hænd ruːl/ qui tắc bàn tay phải
    motional emf/ˈməʊʃənl emf/ EMF vận động
    Maxwell's equations/ˈmækswelz ɪˈkweɪʒnz/ Phương trình Maxwell
    electromagnetic waves/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk weɪvz/ sóng điện từ
    13.3

    Induced Currents and Magnetic Forces

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 13.3.A: Describe the force exerted on a conductor due to the interaction between an external magnetic field and an induced current within that conductor.

    • 13.3.A.1 When an induced current is created in a conductive loop, the already-present magnetic field will exert a magnetic force on the moving charge carriers within the loop.
      • Equation: $\vec{F}_B = \displaystyle\int I\left(d\vec{\ell} \times \vec{B}\right)$
    • 13.3.A.2 When current is induced in a conducting loop, magnetic forces are only exerted on the segments of the loop that are within the external magnetic field. These magnetic forces may cause translational or rotational acceleration.
    • 13.3.A.3 The force on a conducting loop is proportional to the induced current in the loop, which depends on the rate of change of magnetic flux, the resistance of the loop, and the velocity of the loop.
    • 13.3.A.4 Newton's second law can be applied to a conducting loop moving in a magnetic field as it experiences an induced emf.
    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 13.3.A: Mô tả lực tác dụng lên một dây dẫn do tương tác giữa từ trường ngoài và dòng điện cảm ứng bên trong dây dẫn đó.

    • 13.3.A.1 Khi dòng điện cảm ứng được tạo ra trong một vòng dẫn, từ trường đã tồn tại sẽ tác dụng một lực từ lên các hạt tải điện chuyển động bên trong vòng dẫn.
      • Phương trình: $\vec{F}_B = \displaystyle\int I\left(d\vec{\ell} \times \vec{B}\right)$
    • 13.3.A.2 Khi dòng điện được cảm ứng trong một vòng dẫn, lực từ chỉ tác dụng lên các đoạn của vòng dẫn nằm trong từ trường ngoài. Những lực từ này có thể gây gia tốc tịnh tiến hoặc quay.
    • 13.3.A.3 Lực tác dụng lên vòng dẫn tỷ lệ thuận với dòng điện cảm ứng trong vòng, phụ thuộc vào tốc độ biến thiên của từ thông, điện trở của vòng và vận tốc của vòng.
    • 13.3.A.4 Định luật II Newton có thể áp dụng cho một vòng dẫn chuyển động trong từ trường khi nó chịu suất điện động cảm ứng.

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

    Once an induced current flows, the external field exerts forces on it ($\vec{F}=\int I\,d\vec{l}\times\vec{B}$) – and by Lenz's law those forces always resist the motion that causes the induction. Only the segments of the loop actually inside the field feel a force, which can make a loop accelerate, rotate, or brake. This is the origin of eddy currents 涡电流 braking, and you can apply Newton's second law to a moving loop or rod like any other mechanics problem.

    Induced eddy currents oppose motion, quickly damping a metal plate swinging in a field
    Induced eddy currents oppose motion, quickly damping a metal plate swinging in a field

    The classic setup is a rod sliding on conducting rails connected by a resistor:

    A rod sliding on rails: the induced current feels a force opposing the motion
    A rod sliding on rails: the induced current feels a force opposing the motion

    Worked example (the full chain). Rails $L=0.20\ \text{m}$ apart with resistance $R=0.60\ \Omega$ sit in a $0.50\ \text{T}$ field into the page. The rod is pushed at a constant $3.0\ \text{m/s}$. Then: $\varepsilon=BLv=0.30\ \text{V}$; $I=\varepsilon/R=0.50\ \text{A}$; the field pushes back on the rod with $F=BIL=0.50(0.50)(0.20)=0.050\ \text{N}$. The pushing force does work at $P=Fv=0.15\ \text{W}$ – exactly the $P=I^2R=0.15\ \text{W}$ dissipated in the resistor. Mechanical work becomes electrical energy: that is a generator 发电机, and energy is conserved. Released with no push, the rod slows exponentially: $ma=-\dfrac{B^2L^2}{R}v$.

    Exam skill. FRQs walk this exact chain: flux $\to$ emf $\to$ current $\to$ force $\to$ Newton's second law. Write each link separately and check the direction with Lenz's law at the end.

    Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
    English Tiếng Việt
    eddy currents/ˈedi ˈkʌrənts/ dòng điện xoáy
    generator/ˈdʒenəreɪtə/ máy phát điện
    13.4

    Inductance

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 13.4.A: Describe the physical and electrical properties of an inductor.

    • 13.4.A.1 Inductance is the tendency of a conductor to oppose a change in electrical current.
      • 13.4.A.1.i Inductance of a conductor depends on the physical properties of the conductor. Straight wires are typically modeled as having zero inductance.
      • 13.4.A.1.ii An inductor, such as a solenoid, is a circuit element that has significant inductance.
      • 13.4.A.1.iii The inductance of a solenoid is dependent on the total number of turns, the length of the solenoid, the cross-sectional area of the solenoid, and magnetic permeability of the solenoid's core.
        • Equation: $L_{\text{sol}} = \dfrac{\mu_{\text{core}} N^2 A}{\ell}$
    • 13.4.A.2 Inductors store energy in the magnetic field that is generated by current in the inductor.
      • Equation: $U_L = \dfrac{1}{2} L I^2$
      • 13.4.A.2.i The energy stored in the magnetic field generated by an inductor in which current is flowing can be dissipated through a resistor or used to charge a capacitor.
      • 13.4.A.2.ii The transfer of energy generated in an inductor to other forms of energy obeys conservation laws.
    • 13.4.A.3 By applying Faraday's law to an inductor and using the definition of inductance, induced emf can be related to inductance and the rate of change of current.
      • Equation: $\mathcal{E}_i = -L\dfrac{dI}{dt}$
    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 13.4.A: Mô tả các tính chất vật lý và điện của một cuộn tự cảm (inductor).

    • 13.4.A.1 Tự cảm là xu hướng của một dây dẫn chống lại sự thay đổi của dòng điện điện.
      • 13.4.A.1.i Điện tự cảm của một dây dẫn phụ thuộc vào các đặc tính vật lý của dây dẫn đó. Các dây dẫn thẳng thường được mô hình hóa là có điện tự cảm bằng không.
      • 13.4.A.1.ii Một cuộn cảm, chẳng hạn như một solenoid, là một phần tử mạch có điện tự cảm đáng kể.
      • 13.4.A.1.iii Điện tự cảm của một solenoid phụ thuộc vào tổng số vòng quấn, chiều dài của solenoid, diện tích tiết diện ngang của solenoid, và độ từ thẩm của lõi solenoid.
        • Phương trình: $L_{\text{sol}} = \dfrac{\mu_{\text{core}} N^2 A}{\ell}$
    • 13.4.A.2 Cuộn tự cảm lưu trữ năng lượng trong từ trường được tạo ra bởi dòng điện chạy qua cuộn tự cảm.
      • Phương trình: $U_L = \dfrac{1}{2} L I^2$
      • 13.4.A.2.i Năng lượng được lưu trữ trong từ trường do một cuộn cảm sinh ra khi có dòng điện chạy qua có thể bị tiêu tán qua điện trở hoặc dùng để nạp cho tụ điện.
      • 13.4.A.2.ii Sự truyền tải năng lượng được sinh ra trong cuộn cảm sang các dạng năng lượng khác tuân theo các định luật bảo toàn.
    • 13.4.A.3 Bằng cách áp dụng định luật Faraday cho một cuộn tự cảm và sử dụng định nghĩa của hệ số tự cảm, suất điện động cảm ứng có thể được liên hệ với hệ số tự cảm và tốc độ biến thiên của dòng điện.
      • Phương trình: $\mathcal{E}_i = -L\dfrac{dI}{dt}$

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

    Inductance 电感 is a conductor's tendency to oppose a change in its own current: changing current changes its own flux, which self-induces an emf. From Faraday's law,

    $$\varepsilon=-L\frac{dI}{dt}.$$

    An inductor 电感器 is a circuit element built to have large inductance – usually a solenoid 螺线管, where geometry gives

    $$L_{\text{sol}}=\frac{\mu_{\text{core}}N^2A}{\ell},$$

    with $N$ total turns, area $A$, length $\ell$, and the magnetic permeability 磁导率 of the core. (Straight wires are modelled as having zero inductance.) An inductor carrying current $I$ stores energy in its magnetic field:

    $$U_L=\tfrac{1}{2}LI^2,$$

    which can later be dissipated in a resistor or moved into a capacitor – conservation of energy applies as usual.

    Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
    English Tiếng Việt
    inductance/ɪnˈdʌktəns/ độ tự cảm
    inductor/ɪnˈdʌktə/ cuộn cảm
    solenoid/ˈsəʊlənɔɪd/ solenoid
    magnetic permeability/mæɡˈnetɪk ˌpɜːməˈbɪlɪti/ Độ từ thẩm
    13.5

    Circuits with Resistors and Inductors

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 13.5.A: Describe the physical and electrical properties of a circuit containing a combination of resistors and a single inductor.

    • 13.5.A.1 A resistor will dissipate energy that was stored in an inductor as the current changes.
    • 13.5.A.2 Kirchhoff's loop rule can be applied to a series LR circuit with a battery of emf $\mathcal{E}$, resulting in a differential equation that describes the current in the loop.
      • Equation (derived): $\mathcal{E} = IR + L\dfrac{dI}{dt}$
    • 13.5.A.3 The time constant is a significant feature of the behavior of an LR circuit.
      • 13.5.A.3.i The time constant of a circuit is a measure of how quickly an LR circuit will reach a steady state and is described with the equation $\tau = \dfrac{L}{R_{\text{eq}}}$ .
      • 13.5.A.3.ii The time constant represents the time an LR circuit would take to reach a steady state if the system continued to change at the initial rate of change.
      • 13.5.A.3.iii For an inductor that has zero initial current, the time constant represents the time required for the current in the inductor to reach approximately 63 percent of its final asymptotic value.
      • 13.5.A.3.iv For an inductor with an initial current, the time constant represents the time required for the current in the inductor to reach approximately 37 percent of its initial value.
    • 13.5.A.4 The electric properties of inductors change during the time interval in which the current in the inductor changes, but will exhibit steady state behavior after a long time interval.
      • 13.5.A.4.i When a switch is initially closed or opened in a circuit containing an inductor, the induced emf will be equal in magnitude and opposite in direction to the applied potential difference across the branch containing the inductor.
      • 13.5.A.4.ii The potential difference across an inductor, the current in the inductor, and the energy stored in the inductor are exponential with respect to time and have asymptotes that are determined by the initial conditions of the circuit.
      • 13.5.A.4.iii After a time much greater than the time constant of the circuit, an inductor will behave as a conducting wire with zero resistance.
    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 13.5.A: Mô tả các tính chất vật lý và điện của một mạch điện chứa tổ hợp điện trở và một cuộn tự cảm đơn.

    • 13.5.A.1 Điện trở sẽ tiêu tán năng lượng đã được lưu trữ trong cuộn tự cảm khi dòng điện thay đổi.
    • 13.5.A.2 Quy tắc vòng Kirchhoff có thể áp dụng cho mạch nối tiếp LR có pin có suất điện động $\mathcal{E}$, dẫn đến một phương trình vi phân mô tả dòng điện trong vòng.
      • Phương trình (suy ra): $\mathcal{E} = IR + L\dfrac{dI}{dt}$
    • 13.5.A.3 Hằng số thời gian là một đặc điểm quan trọng trong hành vi của mạch LR.
      • 13.5.A.3.i Hằng số thời gian của mạch là thước đo mức độ nhanh chóng mà một mạch LR sẽ đạt đến trạng thái ổn định và được mô tả bằng phương trình $\tau = \dfrac{L}{R_{\text{eq}}}$ .
      • 13.5.A.3.ii Hằng số thời gian đại diện cho khoảng thời gian mà một mạch LR sẽ cần để đạt đến trạng thái ổn định nếu hệ thống tiếp tục thay đổi với tốc độ thay đổi ban đầu.
      • 13.5.A.3.iii Đối với một cuộn cảm có dòng điện ban đầu bằng không, hằng số thời gian biểu thị khoảng thời gian cần thiết để dòng điện trong cuộn cảm đạt đến xấp xỉ 63 phần trăm giá trị tiệm cận cuối cùng của nó.
      • 13.5.A.3.iv Đối với cuộn cảm có dòng điện ban đầu, hằng số thời gian đại diện cho thời gian cần thiết để dòng điện trong cuộn cảm đạt xấp xỉ 37 phần trăm giá trị ban đầu của nó.
    • 13.5.A.4 Tính chất điện của cuộn tự cảm thay đổi trong khoảng thời gian mà dòng điện trong cuộn tự cảm thay đổi, nhưng sẽ thể hiện hành vi trạng thái ổn định sau một khoảng thời gian dài.
      • 13.5.A.4.i Khi công tắc ban đầu đóng hoặc mở trong một mạch chứa cuộn cảm, suất điện động cảm ứng sẽ có độ lớn bằng nhau và chiều ngược lại với hiệu điện thế tác dụng trên nhánh chứa cuộn cảm.
      • 13.5.A.4.ii Điện áp giữa hai đầu cuộn cảm, dòng điện trong cuộn cảm và năng lượng lưu trữ trong cuộn cảm đều biến thiên theo hàm mũ theo thời gian và có các đường tiệm cận được xác định bởi các điều kiện ban đầu của mạch.
      • 13.5.A.4.iii Sau một khoảng thời gian lớn hơn nhiều so với hằng số thời gian của mạch, cuộn cảm sẽ hoạt động như một dây dẫn với điện trở bằng không.

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

    In an RL circuit RL电路, Kirchhoff's loop rule for a battery $\varepsilon$, resistor $R$, and inductor $L$ in series gives a differential equation 微分方程:

    $$\varepsilon=IR+L\frac{dI}{dt}\quad\Rightarrow\quad I(t)=\frac{\varepsilon}{R}\big(1-e^{-t/\tau}\big),\qquad \tau=\frac{L}{R}.$$

    The time constant 时间常数 $\tau$ sets the pace: after one $\tau$ a rising current reaches about $63\%$ of its final value (a decaying one falls to $37\%$); it is also how long the change would take at the initial rate. Learn the two limits – they answer most conceptual questions:

    • Just after the switch closes ($t=0$): current cannot jump, so the inductor momentarily blocks it, self-inducing an emf equal and opposite to the applied potential difference.
    • Long after ($t\gg\tau$): the current is steady, $dI/dt=0$, and the inductor behaves as a plain wire – the exact opposite of a capacitor.
    The current in an RL circuit rises exponentially, reaching 63% at one time constant
    The current in an RL circuit rises exponentially, reaching 63% at one time constant

    Worked example. $\varepsilon=12\ \text{V}$, $R=6.0\ \Omega$, $L=3.0\ \text{H}$: final current $\varepsilon/R=2.0\ \text{A}$, $\tau=L/R=0.50\ \text{s}$. At $t=0.50\ \text{s}$ the current is $2.0(1-e^{-1})\approx1.3\ \text{A}$. At $t=0$ the inductor's potential difference is the full $12\ \text{V}$; as $t\to\infty$ it falls to zero. Current, inductor voltage, and stored energy are all exponential in time.

    Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
    English Tiếng Việt
    RL circuit/ˌɑː ˈel ˈsɜːkɪt/ Mạch RL
    differential equation/ˌdɪfəˈrenʃl ɪˈkweɪʒn/ phương trình vi phân
    time constant/taɪm ˈkɒnstənt/ hằng số thời gian
    13.6

    Circuits with Capacitors and Inductors

    Syllabus · ⁨Chương trình⁩
    English

    Learning Objective 13.6.A: Describe the physical and electrical properties of a circuit containing a combination of capacitors and a single inductor.

    • 13.6.A.1 In circuits containing only a charged capacitor and an inductor (LC circuits), the maximum current in the inductor can be determined using conservation of energy within the circuit.
    • 13.6.A.2 In LC circuits, the time dependence of the charge stored in the capacitor can be modeled as simple harmonic motion.
      • Equation (derived): $\dfrac{d^2 q}{dt^2} = -\dfrac{1}{LC} q$
    • 13.6.A.3 The angular frequency of an oscillating LC circuit can be derived from the differential equation that describes an LC circuit.
      • Equation (derived): $\omega = \dfrac{1}{\sqrt{LC}}$
    Tiếng Việt

    Mục tiêu học tập 13.6.A: Mô tả các đặc tính vật lý và điện của một mạch điện bao gồm sự kết hợp giữa tụ điện và một cuộn cảm duy nhất.

    • 13.6.A.1 Trong các mạch chỉ chứa tụ điện đã nạp điện và cuộn cảm (mạch LC), dòng điện cực đại trong cuộn cảm có thể được xác định bằng cách sử dụng định luật bảo toàn năng lượng trong mạch.
    • 13.6.A.2 Trong các mạch LC, sự phụ thuộc thời gian của điện tích lưu trữ trên tụ điện có thể được mô hình hóa như chuyển động điều hòa đơn giản.
      • Phương trình (suy ra): $\dfrac{d^2 q}{dt^2} = -\dfrac{1}{LC} q$
    • 13.6.A.3 Tần số góc của mạch LC dao động có thể được suy ra từ phương trình vi phân mô tả mạch LC.
      • Phương trình (suy ra): $\omega = \dfrac{1}{\sqrt{LC}}$

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

    LC circuit: energy sloshes like a spring

    An LC circuit LC电路 has no resistance, so nothing dissipates energy: it oscillates 振荡, sloshing energy between the capacitor's electric field and the inductor's magnetic field. The loop rule gives

    $$\frac{d^2q}{dt^2}=-\frac{1}{LC}\,q,$$

    the same equation as a mass on a spring – simple harmonic motion 简谐运动 with charge playing the role of displacement and

    $$\omega=\frac{1}{\sqrt{LC}}.$$

    The total energy $\dfrac{q^2}{2C}+\tfrac12LI^2$ stays constant: all in the capacitor at maximum charge, all in the inductor at maximum current.

    Worked example. $L=2.0\ \text{H}$, $C=8.0\ \mu\text{F}$: $\omega=\dfrac{1}{\sqrt{2.0(8.0\times10^{-6})}}=250\ \text{rad/s}$, period $T=2\pi/\omega\approx0.025\ \text{s}$. If the capacitor starts charged to $12\ \text{V}$, then $U=\tfrac12CV^2=5.8\times10^{-4}\ \text{J}$, and the maximum current follows from $\tfrac12LI_{\max}^2=U$: $I_{\max}=\sqrt{2U/L}=0.024\ \text{A}$ – conservation of energy 能量守恒, no calculus needed.

    Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
    English Tiếng Việt
    LC circuit/ˌel ˈsiː ˈsɜːkɪt/ Mạch LC
    oscillates/ˈɒsɪleɪts/ dao động
    simple harmonic motion/ˈsɪmpl hɑːˈmɒnɪk ˈməʊʃn/ chuyển động điều hòa đơn giản
    conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ bảo toàn năng lượng
    13.6

    Exam tips

    • Compute flux $\Phi_B=\int \vec B\cdot d\vec A$ and get the induced EMF from Faraday's law $\varepsilon=-\tfrac{d\Phi_B}{dt}$.
    • Use Lenz's law (the minus sign) to fix the direction: the induced current opposes the change in flux.
    • Flux changes three ways — changing $B$, changing area, or changing angle — identify which and differentiate.
    • For a rod of length $L$ moving at speed $v$, the motional EMF is $BLv$.
    • An inductor stores energy $\tfrac12 LI^2$ and resists changes in current (RL time constant $\tau=L/R$).

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

IGCSE, A-Level & AP