TỔ CHỨC DẠY HỌC CHƯƠNG ĐIỆN TÍCH ĐIỆN TRƯỜNG

Chia sẻ: Tran Tuyen | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:36

Thêm vào BST

Báo xấu

317
lượt xem 79
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hiểu sâu sắc những kiến thức Vật lí được trình bày trong chương theo tinh thần của vật lí học phổ thông. Có được những kỹ năng về thiết kế bài dạy và tổ chức dạy học theo tinh thần đổi mới hiện nay. Ở chương này, SV có điều kiện tìm hiểu và làm sâu sắc thêm những kiến thức vật lí liên quan đến Điện tích và Điện trường theo tinh thần của Vật lí học phổ thông có trong chương....

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: TỔ CHỨC DẠY HỌC CHƯƠNG ĐIỆN TÍCH ĐIỆN TRƯỜNG

TỔ CHỨC DẠY HỌC CHƯƠNG ĐIỆN TÍCH ĐIỆN TRƯỜNG 19
TỔ CHỨC DẠY HỌC CHƯƠNG ĐIỆN TÍCH ĐIỆN TRƯỜNG I. MỤC TIÊU - Hiểu sâu sắc những kiến thức Vật lí được trình bày trong chương theo tinh thần của vật lí học phổ thông - Có được những kỹ năng về thiết kế bài dạy và tổ chức d ạy h ọc theo tinh th ần đổi mới hiện nay. II. GIỚI THIỆU CHUNG Ở chương này, SV có điều kiện tìm hiểu và làm sâu sắc thêm những kiến thức vật lí liên quan đến Điện tích và Điện trường theo tinh thần của Vật lí h ọc ph ổ thông có trong chương. Công việc rất quan trọng là sinh viên thi ết kế các bài d ạy h ọc c ụ th ể trong chương, cùng nhau thảo luận, trao đổi để tìm được phương án thiết kế tối ưu nhất. Thời gian cho chương này là 1 buổi (5tiết) III. TÀI LIỆU VÀ THIẾT BỊ ĐỂ THỰC HIỆN MÔĐUN Sách Vật lí 11, Sách giáo viên Vật lí 11, Tài li ệu bồi dưỡng thay sách giáo khoa Vật lí 11, Phụ lục 3 IV. HOẠT ĐỘNG Hoạt động 1: Phân tích kiến thức có trong chương  Nhiệm vụ: - GgV giới thiệu cấu trúc Phụ lục 3a - HV làm việc theo nhóm bằng cách đọc tài li ệu có trong phần ph ụ l ục và th ảo luận  Thông tin cho hoạt động: Phụ lục 3a Hoạt động 2: Thiết kế bài dạy học  Nhiệm vụ: - GgV giới thiệu một phương án cụ thể về thiết kế bài dạy học trong ch ương được trình bày trong Phụ lục 3b. - Mỗi nhóm HV chọn một bài bất kỳ trong chương rồi cùng nhau thiết kế  Thông tin cho hoạt động: Sách Vật lí 11, Sách giáo viên Vật lí 11, Phụ lục 3b Hoạt động 3: Các nhóm trình bày bản thiết kế của nhóm mình  Nhiệm vụ: - Mỗi nhóm cử đại diện lên trình bày bản thiết kế của nhóm mình - Các nhóm khác góp ý, bổ sung  Thông tin cho hoạt động: Bản thiết kế có được từ các nhóm 20
V. ĐÁNH GIÁ - GgV đánh giá tinh thần và thái độ làm việc của các nhóm cũng như sản phẩm mà các nhóm có được. - Thông tin phản hồi của đánh giá: Ý ki ến thảo lu ận và các b ản thi ết k ế bài d ạy học. V. PHỤ LỤC 3a: 3.1. Khái niệm điện tích Từ thời cổ đại, con người đã biết đến điện ma sát . Nhiều nhà lịch sử đó chỉ rằng nhà triết học Hy lạp Thalet lần đầu tiên mô tả hiện tượng khi c ọ xát hổ phách vào miếng dạ thì nó có thể hút các vật nhẹ mà không c ần phải ti ếp xúc v ới các vật ấy. Không phải chỉ có hổ phách mới có tính chất như vậy. Nếu c ọ xát m ột cái l ược thông thường rồi đưa lại gần những mẫu giấy nhỏ thì những mẫu gi ấy đó cũng b ị hút. Năm 1600, một bác sĩ người Anh Gilbert đặt cơ sở cho việc nghiên c ứu các hi ện t ượng tĩnh điện. Ông nhận thấy sự khác nhau giữa các tác dụng đi ện và t ừ và đ ưa ra thu ật ng ữ điện. Gilbert đó gọi lực hút của vật đó bị cọ xát là điện lực. Sau đó, Benjamin Franklin đưa ra khái niệm điện tích dương và đi ện tích âm . Franklin gọi điện tích ở thanh thủy tinh c ọ xát với lụa là đi ện tích dương. Nhưng hơn một thế kỉ sau những thí nghiệm của Gilbert, tri thức về điện không tiến thêm một bước nào. Khả năng thực nghi ệm ở thế kỉ XVII mới chỉ cho phép tạo ra những đi ện tích rất nh ỏ t ồn t ại trong những thời gian rất ngắn, và những vật tích điện ch ỉ có kh ả năng hút những vật rất nhỏ như giấy vụn, lông chim... William Gilbert Đầu thế kỉ XVIII, điện do ma sát lại được nhiều người quan tâm, (1540 – 1603) vì đã có những dụng cụ cho phép tạo ra đi ện do ma sát khá m ạnh, đ ủ để phóng ra tia điện và làm cho cơ bắp người co giật. Đến gi ữa thế kỉ XVIII, bằng những thí nghiệm nổi tiếng của mình, Benjamin Franklin chứng minh được rằng “điện thiên nhiên” phóng ra từ những đám mây (tia chớp, sét) và “điện nhân tạo” sinh ra bằng ma sát có cùng m ột b ản chất và hiện tượng như nhau. Những hiện tượng đó là biểu hiện của một lượng lớn điện tích được chứa trong các vật. Vật chứa điện tích hay vật tích điện, vật mang điện đều gọi là vật nhiễm điện. Thuật ngữ điện tích được dùng để chỉ một vật mang điện, một hạt mang điện Benjamin Franklin (1706 – 1790) hoặc một “lượng điện” của vật. Điện tích là một khái niệm cơ bản mà học sinh tiếp xúc đầu tiên khi nghiên cứu các hiện tượng về điện. Điện tích là một đại lượng vô hướng, là một thuộc tính không thể tách rời hạt vật chất và tồn tại dưới dạng các hạt sơ c ấp mang điện (có những hạt sơ cấp không mang điện) nhưng không th ể có đi ện tích không g ắn liền với hạt sơ cấp cho nên khi phát biểu điện tích ở ngoài hạt là không có nghĩa. Người ta thấy rằng nếu một hạt sơ cấp mang điện thì không có cách nào làm cho nó mất điện tích. Khi một vật mang điện, thì điện tích q của nó bao giờ cũng là một số nguyên lần điện tích nguyên tố (elementary) có độ lớn e = 1,6.10 -19C nghĩa là q= ne (n= ± 1, ± 2, ± 3...). Khi một đại lượng vật lý nào đó chỉ nhận các giá tr ị gián đo ạn mà không phải có một giá trị bất kỳ nào, ta nói đại lượng đó b ị lượng t ử hóa. Nh ư v ậy, điện tích là một đại lượng vật lý được bổ sung vào các đại lượng bị lượng tử hóa nh ư năng lượng, momen xung lượng... Trong những năm gần đây nhiều công trình nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm đã chứng tỏ khả năng tồn tại những hạt nh ỏ h ơn các h ạt sơ cấp đã biết gọi là những hạt quác (quark). Mặc dầu cho đến nay ch ưa h ề phát hi ện được quác tồn tại ở trạng thái tự do, nhưng có nhiều cơ sở vững chắc để tin rằng chúng 21
quả thật tồn tại mang điện tích nhỏ hơn điện tích nguyên tố (bằng ± 1/3 hoặc ± 2/3 điện tích nguyên tố). Nếu như vậy thì khái niệm điện tích nguyên tố sẽ phải đ ược xây dựng lại. Tuy nhiên, trong chương trình vật lí phổ thông hi ện tại, chúng ta v ẫn d ựa vào quan niệm chung từ trước đến nay. Sự có mặt của điện tích ở các hạt cơ bản làm cho các vật hay các h ạt mang đi ện tương tác với nhau theo định luật Culông. Vì thế khi bi ết đ ịnh luật này ta có th ể ch ỉ ra phương pháp đo điện tích. Định luật Culông xác định tương tác c ủa hai đi ện tích đ ứng yên và là một định luật cơ bản được rút ra từ thực nghiệm. Lưu ý về mặt phương pháp dạy học Điện tích là một đại lượng vô hướng, đặc trưng cho tính chất c ủa m ột vật hay m ột hạt về mặt tương tác điện và gắn liền với hạt hay vật đó. Sử dụng thuật ngữ “có m ột điện tích...” cũng vô nghĩa như khi nói “có một khối lượng...” chúng ta nên hi ểu đó là cách nói tắt. Thực ra phải phát biểu "một vật có điện tích...” cũng như "m ột v ật có kh ối lượng...”. Khi nói tích điện cho một vật, phải hiểu là đã làm cho vật đó có m ột tính chất mới và vật đó thu được hay mất đi một số hạt điện tích, do đó khối lượng c ủa v ật tăng lên hay giảm đi. 3.2. Lực tương tác giữa các điện tích 3.2.1. Vài nét lịch sử Để nghiên cứu điện về mặt định lượng, Franklin đã làm thí nghiệm tích điện cho một cái bình sắt. Ông quan sát thấy rằng bên trong cái bình đó, các vật thử không phát hiện đ ược m ột tương tác nào, nghĩa là bên trong bình không có điện tích m ặc dù bình đã được tích điện. Prixli đã đánh giá đúng tầm quan trọng của thí nghiệm đó. Năm 1767, với các phép tính lí thuyết, ông chứng tỏ rằng nếu lực Henry Cavendish 1 (1731 – 1810) điện tỉ lệ nghịch với n (r là khoảng cách giữa các điện tích) thì r chỉ trong trường hợp r = 2 các điện tích m ới dàn hết ra ngoài vật dẫn như trong thí nghiệm của Franklin. Năm 1771, Henry Cavendish đã làm thí nghiệm để xác định giá trị cụ thể của n. Ông đặt một quả cầu thứ nhất vào trong một quả cầu thứ hai rỗng và nối hai quả cầu với nhau bằng một dây dẫn điện. Sau đó nhiễm điện cho quả cầu rỗng, Cavendish nhận thấy rằng điện tích không truyền vào quả cầu bên trong mà ch ỉ Charles Augustin de Coulomb phân bố mặt ngoài của quả cầu rỗng. Dựa vào cấp chính xác (1736 – 1806) của dụng cụ đo trong thí nghiệm của mình, Cavendish đã kết luận rằng n = 2 ± 0,05 . Những thí nghiệm và lập luận đó đã mở đường dẫn tới những định luật đ ịnh tính về các hiện tượng điện. Nhưng muốn khẳng định các định luật đó một cách chắc ch ắn cần thực hiện những phép đo chính xác về các lực điện. 3.2.2. Lực tương tác giữa các điện tích điểm trong không khí–Đ ịnh luật Coulomb (Cu-lông) Không thể tìm được định luật tổng quát cho sự tương tác gi ữa hai vật mang đi ện 22
bất kỳ, vì lực này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có hình d ạng, v ị trí t ương đ ối giữa hai vật và môi trường bao quanh các vật. Ta chỉ có th ể tìm đ ược đ ịnh lu ật t ổng quát cho lực tương tác giữa các điện tích điểm. Năm 1785, Charles Augustin de Coulomb (nhà vật lí người Pháp), bằng thực nghiệm đã tìm ra đ ịnh lu ật v ề s ự t ương tác lực giữa hai điện tích điểm đứng yên. Coulomb dùng thực nghiệm bằng một cân xoắn, gồm hai quả cầu nhỏ bằng kim loại A và B. A là quả cầu cố định gắn ở đầu một thanh thẳng đứng. B là quả cầu linh động gắn ở đầu m ột thanh nằm ngang. Đầu kia của thanh có một quả đối trọng. A và B được tích điện cùng dấu. Thanh n ằm ngang được treo bằng sợi dây kim lo ại m ảnh có hằng số xoắn đã biết. Khi hai quả cầu đẩy nhau thì nó làm cho thanh ngang quay. Khi mômen của lực đẩy tĩnh điện cân bằng với mômen xoắn của dây treo thì thanh ngừng quay. Biết góc quay và chiều dài của thanh ngang ta sẽ tính được lực đẩy tĩnh điện giữa hai quả cầu A và B. Dựa vào thí nghiệm trên, Coulomb thấy rằng lực tương tác giữa hai điện tích có phương trùng với đường thẳng nối hai điện tích. Lực đẩy nếu hai điện tích cùng dấu, là lực hút khi hai điện tích trái d ấu. Với cân xo ắn, Coulomb đã thực hiện nhiều phép đo khác nhau khi giữ các điện tích cùng dấu không đổi. Ông cho khoảng cách giữa chúng thay đổi theo tỉ lệ 36 : 18 : 8,5 thì l ực đẩy gi ữa chúng thay đổi theo tỉ lệ 36 : 144 : 575, tức là lực đẩy gần đúng tỉ lệ ngh ịch v ới bình phương khoảng cách. Coulomb đã giải thích có sự sai số là do trong khi ti ến hành thí nghiệm, một phần điện tích đã bị rò đi mất. Sau đó Coulomb tiến hành đo lực hút. Phép đo này khó h ơn nhi ều vì khi cho hai hòn bi nhỏ tích điện, rất khó ngăn sao cho chúng khỏi chạm nhau. Nhưng sau nhi ều l ần thí nghiệm, ông đã đi đến kết quả là lực hút của các đi ện tích cũng t ỉ l ệ ngh ịch v ới bình phương khoảng cách giữa chúng. 1 F~ 2 r Để biết lực tác dụng phụ thuộc vào độ lớn của các đi ện tích như th ế nào c ần so sánh các điện tích. Lấy vật A và vật B có kích thước nhỏ so với kho ảng cách c ủa chúng. Truyền cho vật A điện tích q0 và truyền cho vật B lần lượt các điện tích q 1 rồi q2. Giữ khoảng cách giữa A và B không đổi. Gọi F1 là lực tác dụng giữa A và B khi điện tích tương ứng của chúng là q0 và q1. F2 là lực tác dụng giữa A và B khi điện tích tương ứng của chúng là q0 và q2. F1 Thí nghiệm chứng tỏ rằng tỉ số không phụ thuộc vào q0 và r, như vậy tỉ số ấy F2 chỉ được xác định bởi chính q1 và q2. F1 F1 q1 Ta có thể đặt tỉ lực bằng tỉ số điện tích = F2 F2 q 2 Kết quả trên đây cho thấy rằng lực tác dụng gi ữa hai đi ện tích A và B t ỉ l ệ v ới đ ộ lớn của các điện tích. Vì lực tương tác tĩnh điện gi ữa hai đi ện tích đi ểm tuân theo đ ịnh luật 3 Newton. Vậy suy ra rằng lực tương tác tỉ lệ với độ lớn c ủa từng đi ện tích, do đó tỉ lệ với tích độ lớn của các điện tích A và B. 23
F ~ q1 .q 2 Từ hai kết quả trên ta có định luật sau gọi là định luật Coulomb. Phát biểu Lực hút hay đẩy giữa hai điện tích điểm đặt trong chân không có phương trùng với đường thẳng nối hai điện tích điểm; có cường độ tỉ lệ thuận với tích độ lớn của hai điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Công thức q1.q2 F =k (3.1) r2 trong đó: q1, q2 là độ lớn của hai điện tích điểm. r là khoảng cách giữa hai điện tích điểm. k là hệ số tỉ lệ phụ thuộc cách chọn đơn vị của các đại lượng, trong hệ SI, k có giá trị k = 9.109 (N.m2/C2) Biểu thức của lực Coulomb dưới dạng vectơ là q1 q 2 r12 F 12 = k 2 (3.2) r12 r12 trong đó F12 là vectơ lực tác dụng của điện tích 1 lên điện tích 2 r12 là bán kính vectơ hướng từ điện tích 1 đến điện tích 2, có độ lớn là r. Ta qui ước điện tích dương nhận giá trị dương, điện tích âm nh ận giá tr ị âm. Như vậy q1 và q2 là những giá trị đại số. Vậy công thức tính lực tác dụng gi ữa hai điện tích điểm sẽ là một công thức đại số. q1 .q 2 F =k (3.3) r2 Nếu q1 và q2 cùng dấu thì tích q1.q2 > 0 và F12 cùng chiều với r12 . Khi đó lực điện là lực đẩy. Nếu q1 và q2 trái dấu (loại) thì tích q1.q2 < 0 và F12 ngược chiều với r12 . Khi đó lực điện là lực hút. (Interaction Between Charged and Neutral Objects?) http://www.physicsclassroom.com/Class/estatics/U8L1c.cfm 24
Ðịnh luật Coulomb là một định luật cơ bản c ủa tĩnh đi ện h ọc, nó giúp ta hi ểu rõ thêm khái niệm điện tích. F1 q1 Ta thấy rằng công thức = rút ra từ thực nghiệm như đã nói ở trên là một F2 q 2 điều hợp lí, vì dựa vào lực tương tác điện ta có thể nhận bi ết đ ược s ự có m ặt c ủa đi ện tích. Như vậy, ta đã có cách để so sánh độ lớn của các điện tích. T ừ đó, n ếu ch ọn m ột điện tích làm đơn vị, ta có thể xác định độ lớn của mọi điện tích khác. (http://www.physicsclassroom.com/Class/estatics/U8L1c.cfm) Phạm vi áp dụng Cho đến nay, định luật Coulomb đã vượt qua mọi sự kiểm nghiệm. Năm 1936, Plimpton và Lauton (người Mĩ) thực hiện nhiều thí nghi ệm với độ chính xác cao, đã xác 1 định số mũ của r, nếu F ~ 2 +δ thì δ < 10-9. Gần đây (1971) Williams Faller và Hill cho r rằng δ < 10 . Như vậy định luật Coulomb đã được thực nghiệm xác nhận với độ chính -16 xác cao. Thực nghiệm còn cho thấy định luật này được thoả mãn với độ chính xác cao ở những khoảng cách rất lớn cũng như rất nhỏ. Định luật Coulomb đúng cả trong phạm vi tương tác giữa các hạt của nguyên tử để tạo thành phân tử, thậm chí nó cũng đúng trong cả phạm vi tương tác giữa các hạt trong một nguyên tử. Nó mô tả đúng l ực gi ữa hạt nhân mang điện dương và mỗi electron mang điện âm trong nguyên t ử m ặc dù ở đó c ơ học cổ điển của Newton không còn đúng nữa mà phải thay bằng vật lí lượng tử. Vì vậy hiện nay khi nói đến tương tác giữa hai điện tích điểm, người ta coi định lu ật Coulomb được áp dụng trong phạm vi vi mô cũng như trong phạm vi vĩ mô. Tuy nhiên nó ch ỉ được áp dụng trong điều kiện các điện tích điểm đó đứng yên. Định luật Coulomb đã vượt qua được mọi kiểm tra thực nghiệm, không thấy một ngoại lệ nào. 3.3. Lực tương tác giữa các điện tích điểm trong điện môi Điện môi là một môi trường cách điện. Khi đặt các điện tích trong m ột đi ện môi (chẳng hạn trong dầu cách điện) thì lực tương tác sẽ yếu đi so v ới khi đặt trong chân không. q1 q 2 F =k (3.5) εr 2 Đại lượng ε chỉ phụ thuộc vào tính chất của điện môi mà không ph ụ thu ộc vào đ ộ lớn của các điện tích và khoảng cách gi ữa các điện tích. ε đ ược gọi là h ằng s ố đi ện môi. Hằng số điện môi là một đại lượng đặc trưng cho tính ch ất đi ện c ủa m ột ch ất cách điện. Nó cho biết khi đặt các điện tích trong chất đó thì lực tác dụng gi ữa chúng sẽ nhỏ đi bao nhiêu lần so với khi chúng đặt trong chân không. Tuy nhiên nó ch ỉ đúng trong một số trường hợp là điện môi đồng tính, đẳng hướng và chiếm toàn bộ không gian. 25
Khái niệm hằng số điện môi không liên quan gì đến tính dẫn điện tốt hay kém của một chất. Các chất dẫn điện không có hằng số điện môi. Hằng số đi ện môi c ủa không khí gần bằng 1, nên thí nghiệm Coulomb được tiến hành trong không khí nhưng k ết qu ả của nó cũng đúng trong cả chân không. Khác với lực hấp dẫn, lực tương tác giữa các điện tích phụ thuộc vào môi trường mà tương tác xẩy ra trong đó. Thật là kỳ l ạ dạng của biểu thức định luật mà Coulomb tìm ra (1) lại gi ống h ệt d ạng c ủa bi ểu th ức mà Newton tìm ra cho độ lớn của lực hấp dẫn giữa hai hạt có kh ối l ượng m 1 và m2 ở cách nhau một khoảng r (2). qq mm Fdt = k 1 2 2 (1) Fhd = G 1 2 2 (2) r r Tuy nhiên, khác với lực hấp dẫn bao giờ cũng là lực hút và không ph ụ thu ộc vào môi trường, lực tương tác giữa hai điện tích điểm có thể là lực hút hoặc là lực đ ẩy tùy thuộc dấu của điện tích và môi trường mà tương tác xẩy ra trong đó. S ự khác nhau đó là do chỉ có một loại khối lượng nhưng lại có hai loại điện tích (dương hoặc âm).. Lưu ý về mặt chiến lược dạy học Trước khi trình bày định luật Culông, giáo viên cần đưa ra khái niệm đi ện tích điểm Điện tích điểm là một vật tích điện có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách tương tác. Khi nêu ra định luật Coulomb cần chú ý cho học sinh bi ểu th ức đó ch ỉ xác định độ lớn của lực tương tác của các điện tích điểm và chỉ được áp dụng khi các điện tích điểm đó đứng yên trong môi trường chân không. Đ ịnh lu ật Culông đ ược rút ra t ừ thực nghiệm. Tuy nhiên, phương án SGK cả hai bộ sách đều trình bày định lu ật này nh ư một thông báo, vì vậy Gv có có thể dùng ph ương pháp thuyết trình đ ể gi ảng d ạy đ ịnh luật này. Vì trong thực tế khó có thể thiết kế một thí nghiệm để rút ra đ ịnh lu ật. M ặc dầu, có điều kiện để tiến hành thí nghiệm, nhưng ta c ần phải cho h ọc sinh n ắm đ ược nguyên tắc và kết quả thí nghiệm. Gv nên chú ý một sai lầm thường hay mắc phải của học sinh là xem l ực hút gi ữa hai điện tích thì mang dấu âm, còn lực đẩy gi ữa hai đi ện tích thì mang d ấu d ương. GV cần chỉ ra cho học sinh thấy dấu dương hay dấu âm là tùy thu ộc vào chi ều d ương đ ược quy ước. Lực tương tác giữa hai điện tích là hai lực ngược chi ều nhau. Vì v ậy, v ới m ột chiều dương quy uớc tùy í thì trong hai lực đẩy (hay hút) giữa hai điện tích, m ột lực có giá trị dương lực kia có giá trị âm. Khi nói về hằng số điện môi GV cần làm rõ cho học sinh là khi đặt các đi ện tích trong điện môi thì lực tương tác giữa chúng sẽ yếu đi, hằng số đi ện môi ε của chất đó cho biết lực tương tác bị yếu đi ε lần so với khi đặt trong chân không. Một chất có hằng số điện môi lớn chưa chắc đã là chất cách đi ện tốt hơn so v ới m ột ch ất có h ằng số điện môi nhỏ. Không có khái niệm hằng số điện môi của môi trường dẫn điện. 3.4. Thuyết electron cổ điển 3.4.1. Sự ra đời của thuyết electron Thuyết electron, mà người ta gọi là thuyết electron c ổ đi ển, ra đời vào cu ối th ế k ỉ XIX, sau khi người ta phát hiện ra electron, nhờ các công trình c ủa Stoney, Plucker, Crookes, Schuster và đặc biệt là của Thomson và Millikan. 3.4.2. Cơ sở của thuyết Cơ sở đầu tiên của thuyết là quan niệm về cấu tạo hạt của vật chất đã được hình thành trong thuyết động h ọc phân t ử. Đó là vật chất được tạo nên từ những hạt rất nhỏ không thể phân chia được thành những hạt nhỏ hơn. Những hạt này được gọi là những 26 John Joseph Thomson
hạt sơ cấp. Tiếp đến là các công trình nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm về điện và từ: định luật Coulomb về tương tác điện và khái niệm điện tích; khái ni ệm v ề dòng đi ện, hi ệu điện thế và định luật Ohm; khái niệm về điện trường, điện từ trường... Cuối cùng và có mối liên hệ mật thiết nhất là sự phát hiện ra electron với các công trình nghiên cứu về “nguyên tử đi ện”: Từ các công trình nghiên cứu về điện phân, người ta đã rút ra kết luận là “một nguyên tử vật chất bao giờ cũng ứng với “một nguyên tử điện”. Năm 1874, Stoney dựa vào hiện tượng điện phân đã xác định được độ lớn của điện tích nguyên tố (e = 1,602023.10 -19 C). Năm 1891, người ta đã đặt tên cho điện tích nguyên tố là electron theo đề nghị của Stoney. Năm 1894, Thomson đo được Ro e tỉ số của electron. Năm 1900, Millikan mới đo được đi ện bert Andrews Millikan m (1868 – 1953) tích của eletron bằng thí nghiệm sau: Sử dụng một máy phun hương thơm, Millikan đã phun các giọt dầu vào m ột cái hộp trong suốt. Đáy và đỉnh của hộp làm bằng kim loại được nối với nguồn pin với m ột đầu âm (-), một dầu dương (+). Trong thí nghiệm này, Millikan đã đ ặt m ột hi ệu đi ện thế cực lớn (khoảng 10.000V) giữa hai điện cực kim loại đó. Millikan quan sát từng giọt rơi một và sự thay đổi điện áp rồi ghi chú lại tất cả những hiệu ứng. Khi các giọt dầu nhỏ được phun vào buồng A, do cọ xát v ới mi ệng vòi phun nên chúng được nhiễm điện. Qua một lỗ nhỏ có một số hạt dầu r ơi vào bên trong kho ảng không gian giữa hai tấm kim loại. Khi hai tấm kim loại này chưa nối với nguồn thì các hạt dầu rơi xuống với vận tốc lớn dần. Sau đó vận tốc của chúng không đổi khi l ực ma sát cân b ằng v ới l ực h ấp dẫn. Khi nối tấm kim loại 1 với cực dương, tấm 2 với cực âm thì lúc đó có nh ững hạt không rơi xuống mà lại chuyển động lên trên, đó là những h ạt nhi ễm đi ện âm. Khi h ạt này đạt đến vận tốc không đổi ta có U q = mg + kv1 (4.1) d q: điện tích của hạt dầu U: hiệu điện thế giữa hai tấm kim loại d: khoảng cách giữa hai tấm kim loại Máy phun 27
giọt dầu giọt dầu đã tấm kim loại tích điện tích điện (+) Kính quan sát Ion hoá bằng tia phóng xạ tấm kim loại tích điện (-) Đèn chiếu sáng Khi những hạt nhận thêm điện tích này đạt đến vận tốc không đổi v2 ta có U ( q + qn ) = mg + kv2 (4.2) d qn: điện tích hạt dầu nhận thêm được Từ (4.1) và (4.2) ta được U qn = k (v2 − v1 ) d d và U là đại lượng đo được, v 1 và v2 có thể xác định được bằng kính quan sát, k xác định bằng phương pháp riêng. Từ đó tìm được qn. Từ rất nhiều thí nghiệm, Millikan đo được điện tích nhỏ nhất là 1,6.10-19 C và điện tích của các hạt đều bằng số nguyên lần 1,6.10-19 C. Từ đó ông rút ra k ết lu ận là tồn tại một điện tích nguyên tố (1,6.10-19 C). 4.3. Hạt nhân của thuyết Tư tưởng cơ bản của thuyết electron là quan niệm về tính gián đo ạn c ủa đi ện. Định luật cơ bản của thuyết electron là định luật Coulomb v ới mô hình toán h ọc là các công thức của định luật. Trong thuyết có hằng số cơ bản là điện tích của electron [2]. 4.4. Một số nội dung chính của thuyết electron cổ điển Vật chất được cấu tạo từ những hạt rất nhỏ không thể phân chia được nữa gọi là hạt cơ bản. Nguyên tử của mọi nguyên tố đều gồm một hạt nhân mang điện dương và những electron mang điện âm chuyển động xung quanh hạt nhân. Hạt nhân nguyên tử gồm những proton mang điện dương và những nơtron không mang điện. Electron có điện tích là -1,6.10-19 C và Có khối lượng me= 9,1.10-31 kg. Proton có điện tích là +1,6.10-19 C và khối lượng mp = 1,67.10-27 kg Số proton trong hạt nhân bằng số electron quay xung quanh hạt nhân nên đ ộ l ớn của điện tích dương của hạt nhân bằng độ lớn c ủa đi ện tích âm c ủa các electron và nguyên tử ở trạng thái trung hòa điện. Electron có thể rời khỏi nguyên tử để di chuyển từ nơi này đến n ơi khác. Nếu nguyên tử mất một hay vài electron, nó sẽ mang đi ện dương và tr ở thành ion d ương. 28
Nếu nguyên tử thu thêm electron, nó sẽ tích điện âm và tr ở thành ion âm. Quá trình nhiễm điện của các vật thể chính là quá trình các vật thể ấy thu thêm hay mất đi một số electron. Động thái cư trú hay di chuyển của các electron tạo nên các hi ện tượng đi ện và các tính chất điện của tự nhiên. (http://www.physicsclassroom.com/Class/estatics/u8l1a.cfm) Thuyết giải thích tính chất khác nhau của các vật thể d ựa trên vi ệc nghiên c ứu electron và chuyển động của chúng gọi là thuyết electron. 4.5. Hệ quả của thuyết Thuyết electron cổ điển giúp ta giải thích được một loạt các hiện tượng điện và tính chất điện của các vật. Thuyết electron cổ điển là ti ền đề để cho ra đ ời m ột s ố thuyết mới như: thuyết electron về tính dẫn điện của kim lo ại, thuyết electron v ề tán sắc ánh sáng, thuyết eletron về sự phát xạ... 4.6. Hạn chế của thuyết Thuyết electron cổ điển chỉ áp dụng được trong phạm vi vĩ mô chứ không áp d ụng được trong phạm vi vi mô, thuyết cũng không giải thích được hiện tượng siêu dẫn. 4.7. Định luật bảo toàn điện tích 4.7.1. Nội dung của định luật Như đã biết, cọ xát các vật với nhau là một cách làm cho chúng nhi ễm đi ện. Tuy nhiên sự cọ xát không đóng vai trò quan trọng, mà quyết định là sự tiếp xúc giữa các vật. Khi ta cọ xát hai vật với nhau, do sự tiếp xúc chặt chẽ giữa một số nguyên tử c ủa 2 vật, mà một số electron chuyển dịch từ vật này sang vật kia. Ð ộ d ịch chuy ển này vào c ỡ khoảng cách giữa các nguyên tử ~10-8 cm. Khi ta tách hai vật ra, thì chúng đều tích điện, nhưng trái dấu nhau. Nếu hai vật không trao đổi điện tích với các vật khác (hai vật l ập thành một hệ cô lập), thì thí nghiệm chứng tỏ rằng độ lớn đi ện tích d ương xu ất hi ện trên vật này đúng bằng độ lớn của điện tích âm xuất hi ện trên v ật kia. Lúc đầu, hệ hai vật có điện tích tổng cộng bằng không, vì mỗi vật đ ều trung hòa đi ện. Sau khi đã ti ếp xúc với nhau, hai vật đều nhiễm điện, nhưng tổng đại số đi ện tích c ủa hai vật trong h ệ vẫn bằng không. Như vậy bản chất của sự nhiễm điện là m ọi quá trình nhi ễm đi ện về thực chất đều chỉ là những quá trình tách các điện tích âm và dương và phân b ố l ại các điện tích đó trong các vật hay trong các phần tử của một vật. Ðiện tích tồn tại dưới dạng các hạt sơ cấp mang điện. Trong những đi ều ki ện nhất định, các hạt sơ cấp có thể biến đổi qua lại. Chúng có thể xu ất hi ện thêm hay m ất bớt đi trong quá trình chuyển hóa. Tuy nhiên, thực tế quan sát cho th ấy rằng các h ạt mang điện bao giờ cũng sinh ra từng cặp có đi ện tích trái dấu và bằng nhau, và n ếu m ất đi (để chuyển thành những hạt khác), chúng cũng mất đi từng cặp như vậy. Nếu có một hạt mang điện chuyển hóa thành nhiều hạt khác, thì trong số những hạt m ới sinh ra, b ắt buộc phải có hạt mang điện tích cùng dấu với hạt ban đầu. Giả thiết về sự bảo toàn của điện tích được đưa ra đầu tiên bởi Benjamin Franklin (Mĩ). Từ những nhận xét trên ta đưa đến kết luận là: Trong m ột hệ kín (hệ cô l ập v ề điện) tổng đại số các điện tích luôn luôn là một hằng số. Hệ cô lập về đi ện là h ệ gồm nhiều vật chỉ tương tác điện và trao đổi điện tích với nhau mà không có sự liên h ệ, trao đổi điện tích với các vật khác ngoài hệ đó. 4.7.2. Phạm vi áp dụng Ðịnh luật bảo toàn điện tích là một trong những nguyên lí c ơ bản nhất c ủa v ật lí. Nó có tính chất tuyệt đối đúng. Cho đến nay người ta chưa phát hi ện m ột s ự vi ph ạm định luật. Mọi kết quả thực nghiệm đều phù hợp với định luật. 29
5. Các hiện tượng nhiễm điện 5.1. Sự nhiễm điện của các vật Mỗi vật bao gồm nhiều hạt mang điện (hạt nhân, electron, iôn). Bình thường thì tổng đại số các điện tích của tất cả các hạt đó bằng không, nghĩa là v ật trung hòa v ề điện. Khối lượng của electron rất nhỏ so với khối lượng của proton nên độ linh động của chúng lớn. Vì v ậy do m ột số điều kiện nào đó (cọ xát, tiếp xúc, nung nóng,...) một số electron có thể di chuyển từ vật này sang vật khác. Khi đó vật trở thành thừa hay thiếu electron, ta nói vật được nhiễm điện (cũng có thể nói là vật được tích điện). Vật nhiễm điện âm là vật thừa electron, vật nhiễm điện dương là vật thiếu electron. 5.2. Các phương pháp nhiễm điện 5.2.1. Nhiễm điện do cọ xát Thí nghiệm Thanh thước làm bằng cao su sau khi cọ xát vào lông thú sẽ có khả năng hút đ ược các vật nhẹ. Giải thích Khi cọ xát vào lông thú, một số electron của lông thú chuyển sang cây th ước. Cây thước đang ở trạng thái không mang điện, khi nhận electron sẽ bị nhiễm điện âm. Lưu ý Ta tạm thừa nhận cách giải thích hiện tượng nhiễm điện do c ọ xát là kết qu ả c ủa sự di chuyển của electron từ vật này sang vật kia. Tuy nhiên c ơ ch ế c ủa hi ện t ượng nhiễm điện do cọ xát rất phức tạp, có nhiều điểm đến nay vẫn còn chưa rõ ràng. Có thể khi hai vật tiếp xúc với nhau thì có sự liên kết c ủa các nguyên tử ở lớp b ề mặt của chúng. Khi tách rời hai vật thì mối liên kết sẽ bị đứt, electron liên kết mạnh với nguyên tử chất nào sẽ ở lại trong chất đó. Nếu giả thuyết này đúng thì khi ép m ạnh hai chất với nhau (không cọ xát) rồi sau đó tách chúng ra thì chúng phải bị nhiễm điện. Có thể khi cọ xát thì sinh ra nhiệt và làm bứt electron. Tuy nhiên nhiệt độ ở chỗ cọ xát không cao đến mức xảy ra sự phát xạ nhiệt electron. Mặt khác sự phát xạ nhi ệt electron dễ xảy ra ở kim loại và rất khó xảy ra ở các chất cách điện. Có thể khi cọ xát gây ra những chỗ khuyết tật ở bề mặt tiếp xúc, ở những chỗ này sẽ xuất hiện những điện tích trái dấu. Có giả thuyết cho rằng nguyên nhân của sự nhiễm điện do cọ xát là sự cày xới lớp khí hấp thụ ở bề mặt các chất làm bật lên những lớp điện tích trái dấu...[2] 5.2.2. Nhiễm điện do tiếp xúc Thí nghiệm Nếu một vật chưa nhiễm điện tiếp xúc với một vật nhiễm điện thì nó sẽ bị nhiễm điện cùng dấu với vật đó. Đó là sự nhiễm điện do tiếp xúc. 30
Nếu ta đưa một vật nhiễm điện dương đến tiếp xúc với vật nhi ễm điện âm sẽ xảy ra một trong ba trường hợp: • Hai vật trở thành không nhiễm điện. Điện tích c ủa chúng đã trung hòa l ẫn nhau. • Hai vật cùng nhiễm điện dương. • Hai vật cùng nhiễm điện âm. Giải thích Khi vật chưa nhiễm điện tiếp xúc với vật đã nhiễm điện, ví dụ như vật nhi ễm điện âm thì một phần electron thừa ở vật nhiễm điện âm truyền sang vật ch ưa nhi ễm điện. Vì thế vật chưa nhiễm điện đó sẽ thừa electron nên cũng sẽ nhiễm điện âm. Vật nhiễm điện dương bị thiếu một số electron. Vật nhiễm điện âm lại thừa một số electron. Nếu cho hai vật đó tiếp xúc với nhau thì sẽ có sự trao đổi electron gi ữa chúng: electron ở chỗ thừa sẽ di chuyển sang chỗ thiếu để trung hòa b ớt đi ện tích dương. Vì thế sẽ xảy ra ba trường hợp như nói ở trên • Nếu số electron thừa bằng đúng số electron thi ếu thì sau khi trao đ ổi hai v ật s ẽ trở về trạng thái trung hòa điện. • Nếu số electron thiếu lớn hơn số electron thừa thì các electron th ừa c ủa vật nhiễm điện âm không đủ để trung hòa các điện tích dương của vật nhi ễm đi ện dương. Tình trạng thiếu electron sẽ trở thành chung cho hai vật. Do đó có s ự phân bố lại của các electron tự do giữa hai vật, mỗi vật sẽ bị thi ếu m ột ít electron nên hai vật cùng nhiễm điện dương. • Tương tự, nếu số electron thiếu lại nhỏ hơn số electron thừa thì sau khi trao đ ổi, electron vẫn còn dư một số electron. Số electron còn dư này sẽ phân b ố cho hai vật, mỗi vật thừa một ít electron nên hai vật đều nhiễm điện âm. 5.2.3. Nhiễm điện do hưởng ứng Thí nghiệm Khi đưa thanh kim loại nhiễm điện âm lại gần quả cầu trung hòa về điện. Ta thấy phía quả cầu gần thanh kim loại nhiễm điện dương, còn phía quả cầu xa thanh kim loại sẽ nhiễm điện âm. Sự nhiễm điện của quả cầu gọi là sự nhiễm điện do hưởng ứng. Nếu đưa thanh kim loại ra xa thì quả cầu lại trở lại trạng thái trung hòa đi ện. Điều đó chứng tỏ độ lớn của các điện tích âm và dương ở hai phía c ủa qu ả c ầu là b ằng nhau. 31
Giải thích Khi đưa thanh kim loại nhiễm điện âm lại gần quả cầu thì thanh kim lo ại sẽ đẩy các electron tự do của quả cầu ra xa mình làm cho electron tập trung nhi ều ở phía xa thanh kim loại nên quả cầu phía xa thanh kim loại sẽ nhi ễm điện âm, còn phía gần thanh kim loại của quả cầu thiếu nhiều electron nên sẽ nhiễm điện dương. Những điện tích tập trung ở hai phía của quả c ầu sẽ tác d ụng lên các electron t ự do còn lại trong quả cầu những lực ngược chiều với lực hút của thanh kim lo ại. Nếu các điện tích tập trung đủ lớn thì các lực tác dụng của các điện tích ở thanh kim lo ại, ở hai phía của quả cầu lên mỗi electron tự do còn lại trong quả c ầu sẽ cân bằng nhau và sẽ không còn có thêm electron đến tập trung ở phía xa thanh kim lo ại của quả c ầu n ữa. Đầu này của quả cầu thừa bao nhiêu electron thì đầu kia sẽ thiếu bấy nhiêu electron. 5.3. Cách phát hiện ra vật nhiễm điện Ta có thể phát hiện ra vật nhiễm điện bằng điện nghiệm. Điện nghi ệm là dụng cụ gồm: bình thuỷ tinh, nút cách điện, núm kim loại, thanh kim loại, hai lá kim loại nhẹ. Một vật nhiễm điện chạm vào thanh kim loại thì đi ện tích truyền đến hai lá kim loại và hai lá kim loại trở thành nhiễm điện cùng dấu. Do đó chúng đẩy nhau và xoè ra. Đưa một cây bút đã nhiễm điện lại gần điện nghi ệm, ta thấy hai lá đi ện nghi ệm xoè ra. Điện tích truyền cho hai lá kim loại càng lớn thì góc xoè cũng càng l ớn. Vì v ậy có thể dùng điện nghiệm để so sánh các điện tích đã truyền cho điện nghiệm. núm kim loại nút cách điện thanh kim loại hai lá kim loại nhẹ 5.4. Ứng dụng Hiện tượng nhiễm điện thường gặp trong đời sống, tuy nhiên người ta đã ít quan 32
tâm đến nó, chẳng hạn xoa tay trên áo len, ch ải tóc b ằng l ược nh ựa, các v ật chuy ển động nhanh trong không khí... Các vật đó đều đã bị nhiễm điện. Chiếc lược đã bị nhiễm điện có khả Chiếc lược đã bị nhiễm điện có khả năng hút các mẩu giấy vụn năng hút các phân tử nước Trong kĩ thuật người ta dựa vào đặc điểm của vật nhi ễm đi ện đ ể ch ế t ạo nhi ều dụng cụ. Ví dụ trong các phân xưởng dệt thường treo những tấm nhi ễm đi ện trên cao để hút bụi vải lên đó, bảo vệ sức khỏe cho công nhân ho ặc thu gom tro trong các ống khói nhờ thiết bị lọc bụi tĩnh điện. Không khí có nhiều bụi được quạt vào máy qua lớp lọc bụi thông th ường. T ại đây các hạt bụi có kích thước lớn bị gạt lại. Dòng không khí có l ẫn các h ạt b ụi kích th ước nhỏ vẫn bay lên. Hai lưới 1 và 2 thực chất là hai điện c ực: lưới 1 là đi ện c ực d ương, lưới 2 là điện cực âm. Khi bay qua lưới 1, các hạt bụi bị nhi ễm điện dương. Do đó khi gặp lưới 2 nhiễm điện âm, các hạt bụi bị hút vào lưới. Vì vậy khi đi qua l ưới 2 không khí đã được lọc sạch bụi. Sau đó có thể cho không khí đi qua lớp lọc b ằng than đ ể kh ử mùi. Bằng cách này có thể lọc đến 95% bụi trong không khí. Trong kĩ thuật người ta làm cho sơn và vật cần sơn nhi ễm đi ện trái dấu, làm cho lớp sơn bám chắc hơn...Sự hút và đẩy giữa các vật tích đi ện còn đ ược ứng d ụng trong in ấn và photocopy. 33
Sơ đồ máy lọc bụi không khí sạch lớp lọc bằng than lưới 2 lưới 1 lớp lọc bụi thông thường không khí có bụi 6. Điện trường 6.1. Khái niệm điện trường Khi nghiên cứu sự tương tác giữa các điện tích, câu hỏi được đặt ra là các đi ện tích đặt ở cách xa nhau tác dụng lực lên nhau bằng cách nào? Ðiện tích có gây ra sự biến đổi gì trong không gian xung quanh không ? Trong quá trình phát tri ển c ủa v ật lí, v ấn đ ề này đã được giải đáp bằng nhiều cách. Nhìn chung lại, có hai cách tr ả l ời trái ng ược nhau. Một thuyết cho rằng các vật có thể tương tác lên nhau không c ần có các v ật th ể hay môi trường trung gian, lực có thể truyền từ vật này sang vật khác một cách tức thời. Như vậy, vận tốc truyền tương tác là lớn vô hạn. Khi ch ỉ có m ột đi ện tích, thì nó không gây ra một sự biến đổi nào ở không gian xung quanh. Ðó là n ội dung c ủa thuyết tương tác xa. Thuyết thứ hai cho rằng lực tương tác giữa các vật thể chỉ có thể truyền từ vật này sang vật kia nhờ một môi trường nào đó bao quanh các vật. Lực t ương tác đ ược truyền liên tiếp từ phần này sang phần khác của môi trường và với vận tốc hữu hạn gọi là vận tốc lan truyền tương tác. Khi chỉ có m ặt m ột đi ện tích thôi, thì kho ảng không gian bao quanh nó cũng chịu những biến đổi nhất định. Ðó là n ội dung c ơ b ản c ủa thuyết tương tác gần. Thuyết tương tác gần được Faraday nêu lên lần đầu tiên, sau đó đ ược Maxwell hoàn thiện và chứng minh bằng lí thuyết. Ngày nay, khoa học đã hoàn toàn xác nh ận s ự đúng đắn của thuyết tương tác gần. Michael Faraday James Clerk Maxwell (1791 – 1867) (1831 – 1909) 34
Định nghĩa Trong sự tương tác giữa các điện tích, môi trường trung gian truy ền t ương tác là điện trường hay điện tích gây ra xung quanh nó một điện trường. Ðiện trường này lan truyền trong không gian với vận tốc hữu hạn. Trong chân không, vận tốc lan truyền của điện trường là 3.108 m/s, bằng vận tốc của ánh sáng. 6.2. Tính chất • Khi có một điện tích đặt trong điện trường thì điện tích chịu tác dụng c ủa l ực điện. Dựa vào tính chất này của điện trường, ta biết được sự có m ặt và s ự phân bố của nó. • Điện trường có mang năng lượng. 6.3. Phương án hình thành khái niệm điện trường của sách giáo khoa vật lý 11 bộ nâng cao Trong bộ sách Vật lý lớp 11 nâng cao SGK định nghĩa rất đơn gi ản “n ơi nào có l ực điện thì ta nói nơi ấy có điện trường. Định luật Culông cho bi ết hai đi ện tích ở g ần nhau thì có lực điện tác dụng lên chúng. Vậy ta nói điện trường tồn tại ở kho ảng không gian xung quanh điện tích. Sau đó, SGK xuất phát từ kiến th ức h ọc sinh đã h ọc ở l ớp 10 là trường hấp dẫn; dựa vào phương pháp tương tự mà đưa ra khái niệm điện tr ường. Xuất phát từ lực hấp dẫn mà đưa ra trường hấp dẫn. Tr ường h ấp dẫn gây ra l ực h ấp dẫn. Tương tự như vậy, ở đây ta cũng nói đến lực điện thì cũng do một tr ường nào đó gây ra. Trường gây ra lực điện ta gọi là điện trường. 6.4. Cường độ điện trường 6.4.1. Vectơ cường độ điện trường Ðể đặc trưng cho điện trường về mặt định lượng, người ta dùng m ột khái ni ệm vật lí mới là cường độ điện trường. Muốn xác định c ường đ ộ điện tr ường, ta d ựa vào tính chất cơ bản của điện trường là tác dụng lực lên các điện tích đặt trong nó. Tại cùng một điểm trong không gian có điện trường, ta hãy lần lượt đặt các đi ện tích thử q1, q2, q3…và xác định lực F1 , F2 , F3 ... do điện trường tác dụng lên chúng. Giá trị của các lực này, tất nhiên, phụ thuộc vào độ lớn c ủa các đi ện tích q 1, q2, q3…Nhưng thực nghiệm cho thấy rằng tỉ số giữa lực F 1 và độ lớn của điện tích q1 không phụ thuộc vào điện tích q1. Do đó tỉ số này có thể dùng để đặc trưng cho đi ện tr ường ở đi ểm đang F xét về phương diện tác dụng lực lên các điện tích đặt ở đi ểm đó. Ta gọi t ỉ số 1 là q1 cường độ điện trường tại điểm đặt q1 và kí hiệu là E . Vì điện tích là một đại lượng vô hướng, còn lực là m ột đại lượng vect ơ nên cường độ điện trường cũng là một đại lượng vectơ. Nếu tại một điểm nào đó trong điện trường, lực tác dụng lên điện tích q là F thì vectơ cường độ điện trường E tại điểm đó là: F E= (6.1) q Nếu q = +1 đơn vị điện tích thì E = F 35
Phương, chiều Cùng phương với F Cùng chiều với F nếu q>0, ngược chiều với F nếu q0 có xu hướng làm cho nó đi thuận chiều điện trường E . Còn lực điện F tác dụng lên điện tích q
Ta xác định cường độ điện trường gây bởi một điện tích điểm Q. Giả sử Q đặt tại điểm O, ta tính cường độ điện trường E do nó gây ra tại điểm A. Ta đặt tại A một điện tích q. Qq r Lực F do Q tác dụng lên q là F =k (6.3) r2 r trong đó r là độ dài vectơ OA, có gốc ở A, có ngọn ở A. Cường độ điện trường E do Q gây ra ở điểm đặt của q là được xác định từ F Q r E= =k 2 (6.4) q r r Định nghĩa Vectơ cường độ điện trường E do điện tích Q đặt ở O gây ra tại A là một vectơ có phương là phương của đường thẳng qua O và A, có chiều h ướng ra xa O nếu Q>0 và hướng về O nếu Q
Điện phổ của hai quả cầu nhiễm điện trái dấu và cùng dấu 7.2. Giải thích Trong điện trường của hai quả cầu, mỗi hạt nhỏ sẽ bị nhiễm đi ện trái dấu ở hai đầu và lực điện sẽ làm nó quay cho đến khi nằm dọc theo phương của lực, t ức là n ằm dọc theo phương của vectơ điện trường. Tập hợp các hạt nhỏ đó sẽ n ằm d ọc theo những đường mà tiếp thuyến tại mỗi điểm là một vectơ điện trường. M ỗi đ ường đó gọi là đường sức điện. 7.3. Định nghĩa Đường sức điện là đường mà tiếp tuyến tại mỗi điểm của nó là giá c ủa một vectơ điện trường tại điểm đó. Nói cách khác, đường sức điện là đ ường mà l ực đi ện tác d ụng lực theo đó. 7.4. Đặc điểm • Qua mỗi điểm trong điện trường chỉ có một đường sức điện và chỉ một mà thôi. • Đường sức điện là những đường có hướng. Hướng của đường sức điện t ại m ột điểm là hướng của vectơ điện trường tại điểm đó. • Đường sức điện của điện trường tĩnh điện là đường không khép kín. Nó đi ra t ừ điện tích dương và kết thúc ở điện tích âm, hoặc đi từ một điện tích ra vô cùng. • Tuy các đường sức điện là dày đặc nhưng người ta chỉ vẽ một số ít đường theo qui ước sau: Số đường sức đi qua một diện tích nhất định đ ặt vuông góc v ới đường sức điện tại điểm tỉ lệ với cường độ điện trường tại điểm đó. Như vậy, ở vị trí mà cường độ điện trường lớn thì đường sức sẽ dày (mau), còn ở những vị trí mà cường độ điện trường nhỏ thì đường sức sẽ thưa. • Đường sức của điện trường đều là những đường thẳng song song và cách đ ều nhau. 7.5. Hình dạng đường sức điện của một số điện trường 38