Tổ chức dạy học chương điện tích điện trường

Nội dung text: Tổ chức dạy học chương điện tích điện trường

1. TỔ CHỨC DẠY HỌC CHƯƠNG ĐIỆN TÍCH ĐIỆN TRƯỜNG 19
2. 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 dạy học theo tinh thần 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 học phổ thông có trong chương. Công việc rất quan trọng là sinh viên thiết kế các bài dạy học cụ thể 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 liệu 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 liệu có trong phần phụ lục và thảo 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 chương 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 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 kiến thảo luận và các bản thiết kế bài dạy học. V. PHỤ LỤC 3a: 20
3. 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 cọ xát hổ phách vào miếng dạ thì nó có thể hút các vật nhẹ mà không cần phải tiếp xúc với các vật ấy. Không phải chỉ có hổ phách mới có tính chất như vậy. Nếu cọ xát một cái lược thông thường rồi đưa lại gần những mẫu giấy nhỏ thì những mẫu giấy đó cũng bị hút. Năm 1600, một bác sĩ người Anh Gilbert đặt cơ sở cho việc nghiên cứu các hiện tượng tĩnh điện. Ông nhận thấy sự khác nhau giữa các tác dụng điện và từ và đưa ra thuật ngữ 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 điện tích âm. Franklin gọi điện tích ở thanh thủy tinh cọ xát với lụa là điện 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 nghiệm ở thế kỉ XVII mới chỉ cho phép tạo ra những điện tích rất nhỏ tồn tại trong những thời gian rất ngắn, và những vật tích điện chỉ có khả năng hút những vật rất nhỏ như giấy vụn, lông chim Đầu thế kỉ XVIII, điện do ma sát lại được nhiều người quan tâm, vì William Gilbert đã có những dụng cụ cho phép tạo ra điện do ma sát khá mạnh, đủ để (1540 – 1603) phóng ra tia điện và làm cho cơ bắp người co giật. Đến giữa 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 một bản 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 hoặc một “lượng điện” của Benjamin Franklin vật. (1706 – 1790) 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 cấp mang điện (có những hạt sơ cấp không mang điện) nhưng không thể có điện tích không gắn 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 trị gián đoạn mà không phải có một giá trị bất kỳ nào, ta nói đại lượng đó bị lượng tử hóa. Như vậy, điện tích là một đại lượng vật lý được bổ sung vào các đại lượng bị lượng tử hóa như 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 nhỏ hơn các hạt sơ cấp đã biết gọi là những hạt quác (quark). Mặc dầu cho đến nay chưa hề phát hiện được quác tồn tại ở trạng thái tự do, nhưng có nhiều cơ sở vững chắc để tin rằng chúng 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 được xây dựng lại. Tuy nhiên, trong chương trình vật lí phổ thông hiện tại, chúng ta vẫn dựa 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 hạt mang điện tương tác với nhau theo định luật Culông. Vì thế khi biết định luật này ta có thể chỉ ra phương pháp đo điện tích. Định luật Culông xác định tương tác của hai điện tích đứng yên và là một định luật cơ bản được rút ra từ thực nghiệm. 21
4. Lưu ý về mặt phương pháp dạy học Điện tích là một đại lượng vô hướng, đặc trưng cho tính chất của một vật hay một hạt về mặt tương tác điện và gắn liền với hạt hay vật đó. Sử dụng thuật ngữ “có một điện tích ” cũng vô nghĩa như khi nói “có một khối lượng ” chúng ta nên hiểu đó là cách nói tắt. Thực ra phải phát biểu "một vật có điện tích ” cũng như "một vật có khối lượng ”. Khi nói tích điện cho một vật, phải hiểu là đã làm cho vật đó có một tính chất mới và vật đó thu được hay mất đi một số hạt điện tích, do đó khối lượng của vật 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 được một tương tác nào, nghĩa là bên trong bình không có điện tích mặc 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 (r là khoảng cách giữa các điện tích) thì r n chỉ trong trường hợp r = 2 các điện tích mới 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 chỉ phân bố Charles Augustin de Coulomb mặt ngoài của quả cầu rỗng. Dựa vào cấp chính xác của dụng cụ (1736 – 1806) 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 định tính về các hiện tượng điện. Nhưng muốn khẳng định các định luật đó một cách chắc chắn 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–Định luật Coulomb (Cu-lông) Không thể tìm được định luật tổng quát cho sự tương tác giữa hai vật mang điện bất kỳ, vì lực này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có hình dạng, vị trí tương đối giữa hai vật và môi trường bao quanh các vật. Ta chỉ có thể tìm được định luật tổng 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 định luật về sự tương 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. 22
5. B là quả cầu linh động gắn ở đầu một thanh nằm ngang. Đầu kia của thanh có một quả đối trọng. A và B được tích điện cùng dấu. Thanh nằm ngang được treo bằng sợi dây kim loại mảnh 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 dấu. Với cân xoắn, 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 lực đẩy giữa chúng thay đổi theo tỉ lệ 36 : 144 : 575, tức là lực đẩy gần đúng tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Coulomb đã giải thích có sự sai số là do trong khi tiến hành thí nghiệm, một phần điện tích đã bị rò đi mất. Sau đó Coulomb tiến hành đo lực hút. Phép đo này khó hơn nhiều vì khi cho hai hòn bi nhỏ tích điện, rất khó ngăn sao cho chúng khỏi chạm nhau. Nhưng sau nhiều lần thí nghiệm, ông đã đi đến kết quả là lực hút của các điện tích cũng tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. 1 F ~ r 2 Để biết lực tác dụng phụ thuộc vào độ lớn của các điện tích như thế nào cần so sánh các điện tích. Lấy vật A và vật B có kích thước nhỏ so với khoảng cách của chúng. Truyền cho vật A điện tích q0 và truyền cho vật B lần lượt các điện tích q1 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 q 0 và r, như vậy tỉ số ấy chỉ F2 được xác định bởi chính q1 và q2. F F q Ta có thể đặt tỉ lực bằng1 tỉ số điện tích 1 1 F2 F2 q2 Kết quả trên đây cho thấy rằng lực tác dụng giữa hai điện tích A và B tỉ lệ với độ lớn của các điện tích. Vì lực tương tác tĩnh điện giữa hai điện tích điểm tuân theo định luật 3 Newton. Vậy suy ra rằng lực tương tác tỉ lệ với độ lớn của từng điện tích, do đó tỉ lệ với tích độ lớn của các điện tích A và B. F ~ q1.q2 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 q .q F k 1 2 (3.1) r 2 23
6. 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 q1q2 r12 12 F 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 nhận giá trị âm. Như vậy q1 và q2 là những giá trị đại số. Vậy công thức tính lực tác dụng giữa hai điện tích điểm sẽ là một công thức đại số. q .q F k 1 2 (3.3) r 2 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?) Ðịnh luật Coulomb là một định luật cơ bản của tĩnh điện học, nó giúp ta hiểu rõ thêm khái niệm điện tích. F q Ta thấy rằng công thức 1 1 rút ra từ thực nghiệm như đã nói ở trên là một điều F2 q2 hợp lí, vì dựa vào lực tương tác điện ta có thể nhận biết được sự có mặt của điện tích. Như vậy, ta đã có cách để so sánh độ lớn của các điện tích. Từ đó, nếu chọn một điện tích làm 24
7. đơn vị, ta có thể xác định độ lớn của mọi điện tích khác. ( 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 nghiệm với độ chính xác cao, đã xác 1 định số mũ của r, nếu F ~ thì δ < 10 -9. Gần đây (1971) Williams Faller và Hill cho r 2  rằng δ < 10-16 . Như vậy định luật Coulomb đã được thực nghiệm xác nhận với độ chính 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 lực giữa hạt nhân mang điện dương và mỗi electron mang điện âm trong nguyên tử mặc dù ở đó cơ 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 luật Coulomb được áp dụng trong phạm vi vi mô cũng như trong phạm vi vĩ mô. Tuy nhiên nó chỉ 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 một điện môi (chẳng hạn trong dầu cách điện) thì lực tương tác sẽ yếu đi so với khi đặt trong chân không. q q F k 1 2 (3.5) r 2 Đại lượng ε chỉ phụ thuộc vào tính chất của điện môi mà không phụ thuộc vào độ lớn của các điện tích và khoảng cách giữa các điện tích. ε được gọi là hằng số điện môi. Hằng số điện môi là một đại lượng đặc trưng cho tính chất điện của một chất cách điện. Nó cho biết khi đặt các điện tích trong chất đó thì lực tác dụng giữa chúng sẽ nhỏ đi bao nhiêu lần so với khi chúng đặt trong chân không. Tuy nhiên nó chỉ đúng trong một số trường hợp là điện môi đồng tính, đẳng hướng và chiếm toàn bộ không gian. 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 điện môi của không khí gần bằng 1, nên thí nghiệm Coulomb được tiến hành trong không khí nhưng kết quả 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 lạ dạng của biểu thức định luật mà Coulomb tìm ra (1) lại giống hệt dạng của biểu thức mà Newton tìm ra cho độ lớn của lực hấp dẫn giữa hai hạt có khối lượng m1 và m2 ở cách nhau một khoảng r (2). q q m m F k 1 2 (1) F G 1 2 (2) dt r 2 hd r 2 Tuy nhiên, khác với lực hấp dẫn bao giờ cũng là lực hút và không phụ thuộc vào môi trường, lực tương tác giữa hai điện tích điểm có thể là lực hút hoặc là lực đẩy tùy thuộc dấu của điện tích và môi trường mà tương tác xẩy ra trong đó. Sự khác nhau đó là do chỉ có một loại khối lượng nhưng lại có hai loại điện tích (dương hoặc âm) 25
8. Lưu ý về mặt chiến lược dạy học Trước khi trình bày định luật Culông, giáo viên cần đưa ra khái niệm điện 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 biểu thức đó chỉ 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. Định luật Culông được rút ra từ thực nghiệm. Tuy nhiên, phương án SGK cả hai bộ sách đều trình bày định luật này như một thông báo, vì vậy Gv có có thể dùng phương pháp thuyết trình để giảng dạy định luật này. Vì trong thực tế khó có thể thiết kế một thí nghiệm để rút ra định luật. Mặc dầu, có điều kiện để tiến hành thí nghiệm, nhưng ta cần phải cho học sinh nắm được nguyên tắc và kết quả thí nghiệm. Gv nên chú ý một sai lầm thường hay mắc phải của học sinh là xem lực hút giữa hai điện tích thì mang dấu âm, còn lực đẩy giữa hai điện tích thì mang dấu dương. GV cần chỉ ra cho học sinh thấy dấu dương hay dấu âm là tùy thuộc vào chiều dương được quy ước. Lực tương tác giữa hai điện tích là hai lực ngược chiều nhau. Vì vậy, với một chiều dương quy uớc tùy í thì trong hai lực đẩy (hay hút) giữa hai điện tích, một 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 điện tích trong điện môi thì lực tương tác giữa chúng sẽ yếu đi, hằng số điện môi  của chất đó cho biết lực tương tác bị yếu đi  lần so với khi đặt trong chân không. Một chất có hằng số điện môi lớn chưa chắc đã là chất cách điện tốt hơn so với một chất có hằng 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 cổ điển, ra đời vào cuối thế kỉ XIX, sau khi người ta phát hiện ra electron, nhờ các công trình của 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 học phân tử. 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 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 niệm về dòng điện, hiệu điện thế và định luật Ohm; khái John Joseph Thomson 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 điện”: 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 e theo đề nghị của Stoney. Năm 1894, Thomson đo được tỉ số Robert Andrews Millikan m (1868 – 1953) 26
9. của electron. Năm 1900, Millikan mới đo được điện tích của eletron bằng thí nghiệm sau: Sử dụng một máy phun hương thơm, Millikan đã phun các giọt dầu vào một cái hộp trong suốt. Đáy và đỉnh của hộp làm bằng kim loại được nối với nguồn pin với một đầu âm (-), một dầu dương (+). Trong thí nghiệm này, Millikan đã đặt một hiệu điện 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 với miệng vòi phun nên chúng được nhiễm điện. Qua một lỗ nhỏ có một số hạt dầu rơi vào bên trong khoảng 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 lực ma sát cân bằng với lực hấp dẫn. Khi nối tấm kim loại 1 với cực dương, tấm 2 với cực âm thì lúc đó có những hạt không rơi xuống mà lại chuyển động lên trên, đó là những hạt nhiễm điện âm. Khi hạt này đạt đến vận tốc không đổi ta có U q mg kv (4.1) d 1 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 giọt dầu giọt dầu tấm kim đã tích loại tích điện điện (+) Kính quan sát Ion hoá bằng tia phóng tấm kim xạ 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 q ) mg kv (4.2) n d 2 qn: điện tích hạt dầu nhận thêm được Từ (4.1) và (4.2) ta được U q k(v v ) d n 2 1 d và U là đại lượng đo được, v1 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 kết luận là tồn tại một điện tích nguyên tố (1,6.10-19 C). 27
10. 4.3. Hạt nhân của thuyết Tư tưởng cơ bản của thuyết electron là quan niệm về tính gián đoạn của điện. Định luật cơ bản của thuyết electron là định luật Coulomb với mô hình toán học 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 -31 Có khối lượng me= 9,1.10 kg. Proton có điện tích là -19 -27 +1,6.10 C và khối lượng mp = 1,67.10 kg Số proton trong hạt nhân bằng số electron quay xung quanh hạt nhân nên độ lớn của điện tích dương của hạt nhân bằng độ lớn của điện tích âm của 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 nơi khác. Nếu nguyên tử mất một hay vài electron, nó sẽ mang điện dương và trở thành ion dương. Nếu nguyên tử thu thêm electron, nó sẽ tích điện âm và trở 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 hiện tượng điện và các tính chất điện của tự nhiên. ( Thuyết giải thích tính chất khác nhau của các vật thể dựa trên việc nghiên cứu 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 tiền đề để cho ra đời một số thuyết mới như: thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại, thuyết electron về 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 dụng 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 nhiễm điện. 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 của 2 vật, mà một số electron chuyển dịch từ vật này sang vật kia. Ðộ dịch chuyển này vào cỡ 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 lập thành một hệ cô lập), thì thí nghiệm chứng tỏ rằng độ lớn điện tích dương xuất hiện trên vật này đúng bằng độ lớn của điện tích âm xuất hiện trên vật kia. Lúc đầu, hệ hai vật có điện tích tổng cộng bằng không, vì mỗi vật đều trung hòa điện. Sau khi đã tiếp xúc với nhau, hai vật đều nhiễm điện, nhưng tổng đại số điện tích của hai vật trong hệ vẫn bằng không. Như vậy bản 28
11. chất của sự nhiễm điện là mọi quá trình nhiễm điện về thực chất đều chỉ là những quá trình tách các điện tích âm và dương và phân bố lại 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 điều kiện nhất định, các hạt sơ cấp có thể biến đổi qua lại. Chúng có thể xuất hiện thêm hay mất bớt đi trong quá trình chuyển hóa. Tuy nhiên, thực tế quan sát cho thấy rằng các hạt mang điện bao giờ cũng sinh ra từng cặp có điện tích trái dấu và bằng nhau, và nếu mất 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 mới sinh ra, bắt 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 một hệ kín (hệ cô lập về điện) tổng đại số các điện tích luôn luôn là một hằng số. Hệ cô lập về điện là hệ gồm nhiều vật chỉ tương tác điện và trao đổi điện tích với nhau mà không có sự liên hệ, 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 cơ bản nhất của vật lí. Nó có tính chất tuyệt đối đúng. Cho đến nay người ta chưa phát hiện một sự vi phạm định luật. Mọi kết quả thực nghiệm đều phù hợp với định luật. 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 vật trung hòa về điện. Khối lượng của electron rất nhỏ so với khối lượng của proton nên độ linh động của chúng lớn. Vì vậy do một 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 được các vật nhẹ. Giải thích Khi cọ xát vào lông thú, một số electron của lông thú chuyển sang cây thước. 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 cọ xát là kết quả của sự di chuyển của electron từ vật này sang vật kia. Tuy nhiên cơ chế của hiện tượng 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 của các nguyên tử ở lớp bề 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 mạnh hai chất với 29
12. 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 nhiệt 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. Nếu ta đưa một vật nhiễm điện dương đến tiếp xúc với vật nhiễm điện âm sẽ xảy ra một trong ba trường hợp: Hai vật trở thành không nhiễm điện. Điện tích của chúng đã trung hòa lẫn 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 nhiễm điện âm thì một phần electron thừa ở vật nhiễm điện âm truyền sang vật chưa nhiễm 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 giữa chúng: electron ở chỗ thừa sẽ di chuyển sang chỗ thiếu để trung hòa bớt điện tích dương. Vì thế sẽ xảy ra ba trường hợp như nói ở trên Nếu số electron thừa bằng đúng số electron thiếu thì sau khi trao đổi hai vật sẽ trở về trạng thái trung hòa điện. Nếu số electron thiếu lớn hơn số electron thừa thì các electron thừa của vật nhiễm điện âm không đủ để trung hòa các điện tích dương của vật nhiễm điện dương. Tình trạng thiếu electron sẽ trở thành chung cho hai vật. Do đó có sự phân bố lại của các electron tự do giữa hai vật, mỗi vật sẽ bị thiếu một 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 đổi, electron vẫn còn dư một số electron. Số electron còn dư này sẽ phân bố cho hai vật, mỗi vật thừa một ít electron nên hai vật đều nhiễm điện âm. 30
13. 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 điện. Điều đó chứng tỏ độ lớn của các điện tích âm và dương ở hai phía của quả cầu là bằng nhau. Giải thích Khi đưa thanh kim loại nhiễm điện âm lại gần quả cầu thì thanh kim loại sẽ đẩy các electron tự do của quả cầu ra xa mình làm cho electron tập trung nhiều ở phía xa thanh kim loại nên quả cầu phía xa thanh kim loại sẽ nhiễm 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 cầu sẽ tác dụng lên các electron tự do còn lại trong quả cầu những lực ngược chiều với lực hút của thanh kim loại. Nếu các điện tích tập trung đủ lớn thì các lực tác dụng của các điện tích ở thanh kim loại, ở hai phía của quả cầu lên mỗi electron tự do còn lại trong quả cầu sẽ cân bằng nhau và sẽ không còn có thêm electron đến tập trung ở phía xa thanh kim loại của quả cầu nữa. 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 nghiệm 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 điện 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 nghiệm, ta thấy hai lá điện nghiệm xoè ra. Điện tích truyền cho hai lá kim loại càng lớn thì góc xoè cũng càng lớn. Vì vậy 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 31
14. 5.4. Ứng dụng Hiện tượng nhiễm điện thường gặp trong đời sống, tuy nhiên người ta đã ít quan tâm đến nó, chẳng hạn xoa tay trên áo len, chải tóc bằng lược nhựa, các vật chuyển 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 nhiễm điện để chế tạo nhiều dụng cụ. Ví dụ trong các phân xưởng dệt thường treo những tấm nhiễm điện trên cao để hút bụi vải lên đó, bảo vệ sức khỏe cho công nhân hoặc 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 thường. Tại đây các hạt bụi có kích thước lớn bị gạt lại. Dòng không khí có lẫn các hạt bụi kích thước nhỏ vẫn bay lên. Hai lưới 1 và 2 thực chất là hai điện cực: lưới 1 là điện cực dương, lưới 2 là điện cực âm. Khi bay qua lưới 1, các hạt bụi bị nhiễm điện dương. Do đó khi gặp lưới 2 nhiễm điện âm, các hạt bụi bị hút vào lưới. Vì vậy khi đi qua lưới 2 không khí đã được lọc sạch bụi. Sau đó có thể cho không khí đi qua lớp lọc bằng than để khử 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 nhiễm điện trái dấu, làm cho lớp sơn bám chắc hơn Sự hút và đẩy giữa các vật tích điện còn được ứng dụng trong in ấn và photocopy. 32
15. 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 điện 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 triển của vật lí, vấn đề này đã được giải đáp bằng nhiều cách. Nhìn chung lại, có hai cách trả lời trái ngược nhau. Một thuyết cho rằng các vật có thể tương tác lên nhau không cần có các vật thể 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 chỉ có một điện tích, thì nó không gây ra một sự biến đổi nào ở không gian xung quanh. Ðó là nội dung của 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 tương tác được 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 mặt một điện tích thôi, thì khoảng không gian bao quanh nó cũng chịu những biến đổi nhất định. Ðó là nội dung cơ bản của thuyết tương tác gần. Thuyết tương tác gần được Faraday nêu lên lần đầu tiên, sau đó được Maxwell hoàn thiện và chứng minh bằng lí thuyết. Ngày nay, khoa học đã hoàn toàn xác nhận sự đúng đắn của thuyết tương tác gần. Michael Faraday James Clerk Maxwell (1791 – 1867) (1831 – 1909) Định nghĩa 33
16. Trong sự tương tác giữa các điện tích, môi trường trung gian truyền tương 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 của lực điện. Dựa vào tính chất này của điện trường, ta biết được sự có mặt và sự 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 giản “nơi nào có lực điện thì ta nói nơi ấy có điện trường. Định luật Culông cho biết hai điện tích ở gần nhau thì có lực điện tác dụng lên chúng. Vậy ta nói điện trường tồn tại ở khoảng không gian xung quanh điện tích. Sau đó, SGK xuất phát từ kiến thức học sinh đã học ở lớp 10 là trường hấp dẫn; dựa vào phương pháp tương tự mà đưa ra khái niệm điện trường. Xuất phát từ lực hấp dẫn mà đưa ra trường hấp dẫn. Trường hấp dẫn gây ra lực hấp dẫn. Tương tự như vậy, ở đây ta cũng nói đến lực điện thì cũng do một trường 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 một khái niệm vật lí mới là cường độ điện trường. Muốn xác định cường độ điện trường, ta dựa 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 điện tích F , F , F thử q1, q2, q3 và xác định lực 1 2 3 do điện trường tác dụng lên chúng. Giá trị của các lực này, tất nhiên, phụ thuộc vào độ lớn của các điện 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 điện trường ở điểm đang xét về phương diện F tác dụng lực lên các điện tích đặt ở điểm đó. Ta gọi tỉ số 1 là cường độ điện trường tại q1 điểm đặt q1 và kí hiệu là E . Vì điện tích là một đại lượng vô hướng, còn lực là một đại lượng vectơ 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 Phương, chiều Cùng phương với F 34
17. Cùng chiều với F nếu q>0, ngược chiều với F nếu q 0 có xu hướng làm cho nó đi thuận chiều điện trường E . Còn lực điện F tác dụng lên điện tích q<0 có xu hướng làm cho nó đi ngược chiều điện trường E . Nếu tại mọi điểm, vectơ cường độ điện trường bằng nhau tức là có cùng phương, chiều, độ lớn thì điện trường đó gọi là điện trường đều. Chú ý : -Điện trường không chỉ truyền lực một chiều của điện tích này lên điện tích kia, mà bao giờ cũng truyền tương tác hai chiều. - Học sinh thường nhầm lẫn mối quan hệ giữa E và q và thường cho rằng độ lớn E tỉ lệ nghịch với q trong công thức F qE. Mối quan hệ giữa E, F và q hoàn toàn tương tự   như mối quan hệ giữa g, P, và m trong công thức.P mg -E và g là hai đại lượng đặc trưng riêng cho trường: E (điện trường) và g (trọng trường); P và F là lực đặc trưng cho tác dụng của trường lên vật vừa phụ thuộc vào trường (E,g) vừa phụ thuộc vật (m,q). 6.4.2. Điện trường của một điện tích điểm 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) r 2 r trong đó r là độ dài vectơ OA, có gốc ở A, có ngọn ở A. 35
18. Cường độ điện trường E do Q gây ra ở điểm đặt của q là được xác định từ F Q r E k (6.4) q r 2 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 hướng ra xa O nếu Q>0 và hướng về O nếu Q<0, có độ lớn tỉ lệ với Q và tỉ lệ nghịch với r2. Như vậy khi chỉ có mặt một điện tích Q thì không gian xung quanh nó cũng đã bị biến đổi. Trong không gian xuất hiện điện trường mà cường độ ở mỗi điểm được xác định bởi (6.4). Nếu ở một điểm nào đó có điện tích q thì điện tích này chịu lực của điện trường theo (6.3). Điều này phản ánh quan điểm cơ bản của thuyết tương tác gần. Lưu ý: Độ lớn của điện trường không phụ thuộc vào độ lớn của điện tích thử. 7. Đường sức điện Michael Faraday, người đã đưa ra khái niệm điện trường ở thế kỉ XIX, đã cho rằng không gian quanh một vật tích điện được lấp đầy bởi các đường sức. 7.1. Thí nghiệm Đặt hai quả cầu kim loại trong một bể nhỏ hình hộp chữ nhật, có thành bằng thủy tinh trong suốt, bên trong đựng dầu cách điện. Cho một ít hạt cách điện (ví dụ: mạt cưa, bột cách điện) nằm lơ lửng trong dầu cách điện. Khuấy đều các hạt cách điện rồi làm cho hai quả cầu nhiễm điện. Ta thấy các hạt cách điện nằm dọc theo những đường nối hai quả cầu. Ta gọi hệ các “đường này” là điện phổ. Điện phổ của hai quả cầu nhiễm điện trái dấu và cùng dấu 36
19. 7.2. Giải thích Trong điện trường của hai quả cầu, mỗi hạt nhỏ sẽ bị nhiễm điện trái dấu ở hai đầu và lực điện sẽ làm nó quay cho đến khi nằm dọc theo phương của lực, tức là nằm dọc theo phương của vectơ điện trường. Tập hợp các hạt nhỏ đó sẽ nằm dọc theo những đường mà tiếp thuyến tại mỗi điểm là một vectơ điện trường. Mỗi đường 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 của một vectơ điện trường tại điểm đó. Nói cách khác, đường sức điện là đường mà lực điện tác dụng 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 tại một 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 từ 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 đặt vuông góc với 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 đều nhau. 7.5. Hình dạng đường sức điện của một số điện trường 37
20. Lưu ý Phải chăng đường sức điện chỉ là một mô hình dùng để biểu diễn điện trường? Các các ảnh chụp (điện phổ) ở trên cũng chỉ là mô hình. Nhưng chúng không phải mô hình của điện trường mà là mô hình của đường sức có thật trong điện trường. Theo Faraday, các đường sức điện là những cấu trúc có thật của điện trường. Ví dụ, muốn vẽ một đường sức đi qua một điểm M trong điện trường thì tất cả mọi người đều phải vẽ một đường như nhau. Điều đó chứng tỏ đường sức có tính khách quan, ta không thể biếu diễn điện trường bằng những đường tùy tiện được. Điều này hoàn toàn tương tự như khi ta vẽ vào giấy một bông hoa hồng, chỉ vào hình vẽ đó và nói với học sinh rằng đó là mô hình của bông hoa hồng. Chúng ta không thể tùy tiện vẽ bông hoa cúc mà nói rằng đó là bông hoa hồng. Chỉ có khác chăng là bông hoa hồng là một vật thể mà ta có thể quan sát trực tiếp được còn các đường sức điện là một cấu trúc của vật chất mà ta không thể nhận biết trực tiếp được. Các ảnh chụp đường sức điện ở trên cũng chỉ là mô hình. Nhưng chúng không phải là mô hình của điện trường mà mô hình của các đường sức có thật trong điện trường. Lưu ý về mặt chiến lược dạy học Khi giảng dạy các đường sức điện, SGK bắt đầu hình thành khái niệm đường sức điện bằng việc cho học sinh quan sát các ảnh chụp của các đường sức (điện phổ). Từ việc phân tích cách hình thành các đường sức từ trong ảnh chụp, giáo viên đi đến định nghĩa các đường sức điện rồi đến phép vẽ các đường sức điện. 8. Vật dẫn và điện môi trong điện trường 8.1. Điều kiện cân bằng tĩnh điện. Tính chất của vật dẫn mang điện 8.1.1.Điều kiện cân bằng tĩnh điện Vật dẫn điện là những vật có chứa những điện tích tự do (xem bảng). Các điện tích đó có thể chuyển động tự do trong vật nhưng không thể thoát ra ngoài mặt của vật được. . 38
21. Trong các vật dẫn bằng kim loại có các electron tự do. Dưới tác dụng của điện trường ngoài dù nhỏ đến mức nào các electron này cũng chuyển dời có hướng và tạo thành dòng điện. Vì vậy, muốn các electron tự do nằm cân bằng trong vật dẫn ta phải có các điều kiện sau: Vectơ cường độ điện trường tại mọi điểm bên trong vật dẫn phải bằng không  i=0 Thành phần tiếp tuyến Et của vectơ cường độ điện trường tại mọi điểm trên mặt vật dẫn phải bằng không. Đường sức điện trường phải vuông góc với mặt vật dẫn  0 ,   t n Thực vậy nếu i 0 và t 0 thì các electron tự do bên trong và trên mặt vật dẫn sẽ chuyển dời có hướng chứ không nằm cân bằng. Các điều kiện này đúng cho mọi loại vật dẫn Hình 7.1: Vectơ cường độ điện trường 8.1.2.Tính chất của vật dẫn mang điện vuông góc với bề mặt vật dẫn Vật dẫn là một khối đẳng thế. Xét hai điểm A và B bất kì trong vật dẫn  Hiệu điện thế giữa hai điểm đó VA-VB=   .dl  dl (1) l S A A Trong đó E là hình chiếu của E trên phương l chuyển dời .Ởdl bên trong vật dẫn =0E còn ở trên mặt vật dẫn thì E t=0 do đó theo (1)ta có VA=VB. Như A vậy điện thế tại mọi điểm bên trong vật dẫn và trên mặt B vật dẫn đều bằng nhau.Nói một cách khác :Vật dẫn cân bằng tĩnh điện là một khối đẳng thế và mặt vật dẫn là một mặt đẳng thế. Điện tích truyền cho vật dẫn chỉ được phân bố trên bề mặt vật dẫn, bên trong vật dẫn Hình 7.2 điện tích bằng không, nói đúng hơn các điện tích âm và dương trung hoà lẫn nhau. Hình 8.3: Thí nghiệm về điện thế ở mặt ngoài vật dẫn 1. Vật dẫn nhiễm điện 2. Quả cầu thử bằng kim loại 3. Tay cầm bằng nhựa 4. Tĩnh điện kế 5. Dây nối quả cầu và tĩnh điện kế Thật vậy ta tưởng tượng lấy một mặt kín S bất kì trong vật dẫn. Theo định lí 39
22. Otrogradski-Gauss  dS q (3) ta có q 0 vì bên trong vật dẫn E =0. 0  i  i S i i Vì mặt kín S được chọn bất kì nên ta có thể kết luận: Tổng đại số điện tích bên trong vật dẫn bằng không. Nếu ta truyền cho vật dẫn một điện tích q thì điện tích này sẽ chuyển ra mặt ngoài vật dẫn và chỉ được phân bố trên bề mặt vật dẫn đó 8.1.3.Hiện tượng điện ở mũi nhọn Trong trạng thái cân bằng điện sự phân bố điện tích trên mặt vật dẫn nói chung là không đều và phụ thuộc vào hình dạng của vật.Ta xét một vật dẫn có dạng tương đối phức tạp. Bằng những thí nghiệm đơn giản người ta thấy mật độ điện tích ở các điểm trên mặt vật dẫn là khác nhau (Hình 7.2).Ở chỗ lõm vào (điểm a) mật độ là nhỏ nhất và gần bằng không.Mật độ lớn nhất ở chỗ nhọn (điểm b) và có giá trị trung gian ở những chỗ khác  Theo công thức E= thì  0 cường độ điện trường tại các điểm khác nhau trên mặt vật dẫn có hình dạng phức tạp cũng không giống nhau. + + + + + + Cường độ điện trường lớn ở những nơi b + a có độ cong lớn (bán kính cong nhỏ)tức + + là những chỗ nhọn. Điều đó giải thích + + + + hiện tượng rò điện ở các mũi nhọn. Nguyên nhân của hiện tượng trên đây là do ở những chỗ mũi nhọn có điện trường lớn. Khi điện trường đủ lớn không khí xung quanh bị ion hoá tức Hình 8.4 là xuất hiện các ion âm và các ion dương ,các ion cùng dấu với mũi nhọn thì ra xa nó ,các ion khác dấu đi về mũi nhọn bị mũi nhọn hút vào do đó điện tích trên mũi nhọn mất dần. Còn các ion bị đẩy ra xa sẽ kéo theo các phần tử không khí tạo thành một luồng gió và được gọi là gió điện . Hình 8.5: Thí nghiệm về sự phân bố điện tích ở mặt ngoài vật dẫn. 1. Quả cầu kim loại nhiễm điện 2. Quả cầu thử bằng kim loại 3. Tay cầm bằng nhựa 4. Điện nghiệm 40
23. Hình 8.6: Thí nghiệm về sự phân bố điện tích ở vật dẫn trong trường hợp mặt ngoài có chỗ lồi, chỗ lõm. Hiện tượng mũi nhọn bị mất dần điện tích tạo thành gió điện được gọi là hiệu ứng mũi nhọn. Hiện tượng rò điện có nhiều ứng dụng quan trọng đặc biệt nó là cơ sở để tạo nên các máy phát tĩnh điện, người ta còn ứng dụng nó trong việc làm cột chống sét. Tuy thế nhiều khi người ta phải ngăn ngừa sự rò điện đặc biệt đối với các máy móc và dụng cụ hoạt động với điện thế cao. Muốn thế các bộ phận bằng kim loại phải có dạng tròn nhẵn, các thanh kim loại phải được bịt ở đầu bằng những hình cầu 8.2.Hiện tượng hưởng ứng tĩnh điện 7.2.1.Hiện tượng hưởng ứng tĩnh điện (điện hưởng) Ta đưa một vật dẫn không mang điện, một quả cầu kim loại chẳng hạn vào trong một điện trường 0 gây ra bởi một hệ điện tích nào đó. Dưới tác dụng của điện trường 0 electron tự do trong quả cầu kim loại chịu tác dụng của lực điện trường, sẽ dịch chuyển ngược chiều điện trường. Kết quả là ở phần C và C` của quả cầu xuất hiện điện tích trái dấu (hình 7.6). Đầu C thừa electron do đó mang điện âm, còn đầu C` thiếu electron nên mang điện dương. Điện tích ở hai đầu C và C` có giá tri tuyệt đối bằng nhau. Hiện tượng xuất hiện các điện tích trái dấu, có độ lớn bằng nhau trên vật dẫn dưới tác dụng của điện trường ngoài gọi là hiện tượng hưởng ứng tĩnh điện (hay điện hưởng) _ + _- C C` ++ Hình 7.7 _ + Do hiện tượng hưởng ứng tĩnh điện đường sức của điện trường ở gần vật dẫn bị biến đổi (xem hình 7.6); một số đường sức kết thúc ở những điện tích hưởng ứng âm trên vật dẫn; một số đường sức xuất phát từ các điện tích hưởng ứng dương. Điện trường bên trong cũng như ở bên ngoài vật dẫn là điện trường tổng hợp  gồm điện trường ban đầu  và điện trường phụ ` do các điện tích hưởng ứng gây ra. Bên trong vật dẫn điện 0 trường phụ ` làm triệt tiêu điện trường ban đầu  , để cho điện trường tổng hợp  bên 0 trong vật dẫn bằng không:  =0 +  =0` tức là thoã mãn điều kiện cân bằng tĩnh điện. Bằng cách lâp luận tương tự như ở mục 1 ta thấy rằng khi đã đạt đến trạng thái cân bằng tĩnh điện thì toàn bộ vật dẫn là khối đẳng thế ,mật độ điện tích khối trong vật dẫn bằng 41
24. không, và điện tích hưởng ứng chỉ tồn tại ở lớp mỏng mặt ngoài vật dẫn . Nếu ta đưa vật dẫn ra ngoài điện trường thì các điện tích hưởng ứng lại dịch chuyển về chỗ cũ để trung hoà nhau, vật dẫn lại trở về trạng thái không mang điện như lúc đầu. Tuy vậy dùng hiện tượng hưởng ứng ta vẫn có thể tích điện cho vật dẫn. Có thể thực hiện điều đó bằng nhiều cách, chẳng hạn đặt vật dẫn vào trong điện trường rồi tách nó ra làm hai phần mỗi phần mang một loại điện tích. Khi đưa hai phần của vật dẫn ra khỏi điện trường mỗi phần vẫn mang điện . 8.2.2.Hưởng ứng toàn phần và hưởng ứng một phần. Giả sử có một vật dẫn A mang điện tích dương +q và một vật dẫn B rỗng không mang điện .Ta đưa vật A vào trong phần rỗng của vật B mà không chạm vào vật B Khi đó mặt trong và mặt ngoài của vật B xuất hiện các điện tích hưởng ứng (điện tích cảm ứng ) –q` và +q` .Vì B bao kín quanh A nên mọi dường sức xuất phát từ A đều kết thúc ở mặt trong của B .Như vậy điện tích hưởng tổng cộng –q` ở mặt trong vật B có giá trị tuyệt đối bằng điện tích tổng cộng q trên vật A : q=q`.Ta nói rằng giữa vật A và vật B xảy ra hiện tượng hưởng ứng toàn phần .Trong trường hợp tổng quát hiện tượng hưởng ứng toàn phần có thể xảy ra ở những hệ vật dẫn khác nhau, không nhất thiết là phải có một vật bao kín quanh vật kia, chỉ cần là chúng có hình dạng và vị trí sao cho mọi đường sức xuất phát từ vật nọ đều kết thúc ở vật kia. + + +q` + - - - B + + - A - + + H ình 8.8 +q - -q` - + + - - - + + Nếu hai vật A và B có hình dạng và vị trí tương đối sao cho chỉ một phần đường sức xuất phát từ một vật (vật A chẳng hạn) kết thúc trên vật kia ,thì người ta nói rằng giữa hai vật đó xảy ra hiện tượng hưởng ứng một phần. Chẳng hạn ta đặt vật A trên hình 7.4 ở ngoài vật B.Khi đó điện tích q trên vật A có độ lớn lớn hơn điện tích hưởng ứng q` trên vật B: q q` 8.3. Điện dung của một vật dẫn cô lập Một vật dẫn được coi là cô lập về điện (hay cô lập) nếu gần nó không có một vật nào khác có thể gây ảnh hưởng đến sự phân bố điện tích trên vật dẫn đang xét. Giả sử ta truyền cho vật dẫn A một điện tích Q nào đó. Theo tính chất của vật dẫn mang điện (đã trình bày ở trạng thái cân bằng tĩnh điện), điện tích Q được phân bố trên mặt vật dẫn sao cho điện trường bên trong vật dẫn bằng không. Nếu ta lại tiếp tục truyền cho vật dẫn một điện tích Q thứ hai thì điện tích này phải được phân bố trên mặt vật dẫn giống hệt sự phân bố của diện tích thứ nhất (Nếu không như vậy điện trường bên trong vật dẫn sẽ khác không).Vì vậy dễ dàng thấy rằng tỉ số mật độ điện mặt ứng với hai lần tích điện cho vật dẫn là không đổi tại mọi điểm của vật dẫn (chẳng hạn nếu mật độ điện mặt tại một điểm tăng gấp hai lần thì mật độ điện mặt tại một điểm khác cũng tăng gấp hai ).Vì điện thế gây ra bởi một điện tích điểm tỉ lệ với điệ tích đó và điên thế gây ra bởi hệ điện tích điểm bằng tổng điện thế gây ra bởi từng điện tích điểm của hệ nên ta có thể kết luận: điện thế V của vật dẫn cô lập cũng tỉ lệ với điện tích Q của vật dẫn đó nghĩa là Q=C.V (7.1) 42
25. Trong đó C là một hệ số tỉ lệ được gọi là điện dung của vật dẫn, nó phụ thuộc vào hình dạng kích thước và tính chất của môi trường bao quanh vật dẫn. Theo (7.1) nếu cho V=1 đơn vị điện thế thì C=Q. Vậy: Điện dung của một vật dẫn cô lập là một đại lượng về trị số bằng điện tích cần truyền cho vật dẫn để điện thế của vật tăng lên một đơn vị điện thế. Hay có thể phát biểu một cách khác : Điện dung của một vật dẫn cô lập là một đại lượng về trị số bằng điện tích mà vật dẫn tích được khi điện thế của nó bằng một đơn vị điện thế. Như vậy ở cùng một điện thế V,vật nào có điện dung lớn hơn vật đó sẽ tích được một điện tích lớn hơn. Nói một cách khác điện dung của vật dẫn đặc trưng cho khẳ năng tích điện của vật dẫn đó . Trong hệ đơn vị SI điện dung được tính bằng fara,khí hiệu là F 1culong 1fara . 1von Ta hãy áp dụng công thức định nghĩa (7.1) để tính địên dung của một quả cầu kim loại bán kính R, đặt trong một môi trường đồng nhất có hằng số điện môi  . Gọi Q là điện tích của quả cầu .Theo tính chất của vật dẫn mang điện,Q được phân bố đều trên mặt quả cầu kim loại.Do đó điện thế V của quả cầu được xác định bởi công Q thức V= 4  0 R Suy ra điện dung của quả cầu kim loại : Q C 4  R (7.2) trong hệ SI cũng là fara trên mét (F/m) V 0 Nếu trong công thức (7.2) ta cho C=1F thì C 1 9 R= 12 9.10 m . 4  0 4.3,14.8,86.10 Nghĩa là một quả cầu kim loại có bán kính gấp khoảng 1500 lần bán kính Trái đất mới có điện dung bằng 1 fara. Kết quả này cho ta hình dung cỡ lớn của đơn vị fara.Trong thực tế người ta hay dùng các đơn vị ước của fara là microfara (F ), nanôfara (nF ) và picôara (pF ) 1F =10 6 F ; 1nF =10 9 F ; 1pF =10 6 F 10 12 F Công thức (7.2) cho phép ta suy ra đơn vị của hằng số điện  0 . 8.4. Hệ vật dẫn tích điện cân bằng.Tụ điên 7.4.1.Hệ vật dẫn tích điện cân bằng Xét một hệ gồm 3 vật dẫn tích điện cân bằng có điện tích và điện thế lần lượt bằng q1 ,q2, q3 và V1,V2,V3.Do hiện tượng hưởng ứng tĩnh điện, khi điện tích hoặc điện thế của một trong ba vật dẫn đó thay đổi thì điện thế và điện tích của hai vật dẫn kia cũng sẽ thay đổi. Nói cách khác giữa điện thế và điện tích của các vật dẫn ấy có mối liên hệ xác định. Ta đã biết đối với một vật dẫn cô lập mối liên hệ giữa điện tích và điện thế theo (7.1) là mối liên hệ tuyến tính Q=C.V.Vì vậy đối với hệ các vật dẫn liên hệ giữa điện tích và điện thế cũng là liên hệ tuyến tính và ta có các công thức tương tác như q1=C11V1+C12V2+C13V3 q2=C21V1+C22V2+C23V3 (7.3) q3=C31V1+C32V2+C33V3 Các hệ số C 11,C22,C33 chính là các điện dung của các vật dẫn 1,2,3 còn các hệ số C12,C13, C32 được gọi là hệ số hưởng ứng tĩnh điện (hay hệ số điện hưởng) biểu thị hiện tượng hưởng ứng tĩnh điện giữa các vật trong hệ. Các hệ thức (8.3) ở trên dễ dàng mở rộng cho trường hợp gồm n vật dẫn. 7.4.2.Tụ điện. 43
26. Hình 7.9:Tụ điện Tụ điện là trường hợp đặc biệt của hệ vật dẫn Định nghĩa:Tụ điện là hệ thống hai hay nhiều vật dẫn đặt cách điện với nhau được bố trí sao cho chúng lập thành một hệ kín và khi tích điện cho tụ điện thì xảy ra hiện tượng hưởng ứng toàn phần Hai quả cầu kim loại đồng tâm là một thí dụ tiêu biểu về tụ điện (tụ điên cầu). Hai mặt phẳng dẫn điện đặt song song cũng có thể coi là một tụ điện (tụ điện phẳng) nếu khoảng cách giữa chúng là nhỏ so với kích thước của chúng. Hai hình trụ dẫn điện đồng trục cũng có thể coi là tụ điện (tụ điện trụ) nếu chiều dài của chúng là lớn so với khoảng cách giữa chúng Hai vật dẫn tạo nên tụ điện gọi là các bản (còn gọi là cốt) của tụ điện Do hịên tượng hưởng ứng toàn phần các đường sức bắt đầu từ một bản và tận cùng ở bản kia của tụ điện nên điện tích ở trên hai bản là bằng nhau về trị số và khác dấu nhau (điều này cũng có thể chứng minh dễ dàng bằng cách áp dụng định lý Ostrogradski-Gauss) Ta gọi điện tích của tụ điện là giá trị tuyệt đối của điện tích trên một bản tụ điện. Để tích điện cho tụ điện ta nối hai bản của nó với hai cực của nguồn điện (thí dụ pin, ắcqui), khi đó do sự hưởng ứng toàn phần các điện tích trái dấu sẽ xuất hiện trên hai bản. 44
27. Hình 7.10 Nạp điện cho tụ điện Điện dung của tụ điện Gọi q1,q2,V1,V2 lần lượt là điện tích và điện thế của hai bản A và B của tụ điện theo (7.3) ta có q1=C11V1+C12V2 (7.4) q2=C21V1+C22V2 với q1+q2=0 (7.5) .Ta tìm hệ thức giữa các hệ số C11, C12, C21, C22.Do t ính đối xứng C12 = C21 .Nếu nối bản B với đất ta có V2 Vd 0 (gốc điện thế) từ đó theo (7.4) v à (7.5) q1+q2 =(C11 +C21)V1=0 suy ra C11+C21=0 (7.6) Tổng quát khi nối hai bản với nguồn điện. q1 +q2=(C11+C21)V1+(C12+C22)V2=0 Từ (7.6) suy ra C12+C22=0 (7.7) Như vậy ta có các hệ thức C11=C22= - C21 = - C12 (7.8) Đặt C11=C22=C>0 , C12=C21= - C <0 các hệ thức (10) trở thành q1=C(V1-V2) v à q2= -C(V1-V2) (7.9) C được gọi là điện dung của tụ điện, là một đại lượng đặc trưng cho tụ điện. Đặt q=q1=q2 là điện tích của tụ điện ta có điện dung của tụ điện là : q C= (7.10) V1 V2 Điện dung của tụ điện là đại lương đặc trưng cho khẳ năng tích điện của tụ điện và được đo bằng thương số của điện tích của tụ điện và hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện Điện dung của một tụ điện phụ thuộc vào hình dạng,kích thước,vị trí tương đối của các bản và vào môi trường giữa hai bản Tính điện dung của một số tụ điện. Tụ điện phẳng : Hai bản tụ điện là hai mặt phẳng kim loại có cùng diện tích Sđặt song song cách nhau một khoảng d . 45
28. V1 + + + + + d - - - - - V2 Hình 7.11 Nếu khoảng cách d giữa hai bản rất nhỏ so với kích thước của mỗi bản thì ta có thể coi điện trường giữa hai bản là đều ,,giống như điện trường gây ra bởi hai mặt phẳng song song vô hạn có mật độ điện tích bằng nhau nhưng trái dấu.Hiệu điện thế giữa hai bản bằng d. d.Q Q V1-V2= với  là mật độ điện mặt trên mỗi bản,  là hằng số  0  0S S điện môi của môi trường lấp đầy khoảng không gian giữa hai bản tụ.Từ đó suy ra Q  S C 0 (7.11) V1 V2 d Tụ điện cầu: Hai bản tụ điện là hai mặt cầu kim loại đồng tâm bán kính R 1 và R2 R1 R2 (bao bọc lẫn nhau) . Q 1 1 Hiệu điện thế giữa hai bản bằng V1 V2 ( ) 4. .. 0 R1 R2 Q 4. .. .R .R Điện dung của tụ điện cầu là C 0 1 2 (7.12) V1 V2 R2 R1 Qua các kết quả tính toán ở trên ta thấy điện dung của tụ điện tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa hai bản (d hoặc R 2-R1).Tuy nhiên với một chất điện môi xác định giữa hai bản ta không thể tăng điện dung của tụ điện bằng cách giảm mãi khoảng cách giữa hai bản được bởi vì khi đó điện trường giữa hai bản sẽ rất lớn làm cho chất điện môi giữa hai bản trở thành dẫn điện, điện tích trên hai bản sẽ phóng qua lớp điện môi của tụ điện ,khi đó ta nói tụ điện đã bị đánh thủng . Kết quả tương tự như trên sẽ xảy ra nếu ta đặt giữa hai bản của một tụ điện cho trước một hiêu điện thế lớn quá mức chịu đựng của tụ điện.Hiệu điện thế lớn nhất mà một tụ điện có thể chịu được để không bị đánh thủng gọi là hiệu điện thế đánh thủng. 8.4.3.Ghép tụ điện Khi hiệu điện thế giữa hai bản của tụ điện quá lớn, tụ điện có thể bị hỏng do sự xuất hiện tia lửa điện dưới tác dụng của điện trường lớn. Vì thế mỗi tụ điện được đặc trưng bằng điện dung của nó và bằng hiệu điện thế cực đại mà nó chịu được. Khi sử dụng các tụ điện, người ta thường phải ghép chúng như thế nào để đạt được giá trị 46
29. điện dung và hiệu điện thế làn việc thích hợp. Có hai cách ghép chính là ghép song song và ghép nối tiếp. Ghép nối tiếp Trong cách ghép này, bản thứ hai của tụ điện C 1 được nối với bản thứ nhất của tụ điện . Nếu số tụ điện được ghép nhiều hơn hai thì bản thứ hai của tụ lại nối với bản thứ C2 C2 nhất của tụ điện , còn bản thứ nhất của tụ C được nối với một cực và bản thứ hai của tụ C3 1 điện cuối cùng được nối với cực kia của nguồn điện. Gọi U là hiệu điện thế của bộ tụ điện đó thì : U = U1 + U2 + +Un Q Q Q Q 1 2 n C C1 C2 Cn Mà Q1 = Q2 = = Qn 1 1 1 1 C C1 C2 Cn Đối với hệ tụ điện ghép nối tiếp thì nghịch đảo của điện dung của hệ bằng tổng nghịch đảo của từng điện dung thành phần. Cách ghép nối tiếp được dùng khi có một điện tích nhất định nhưng muốn thu được hiệu điện thế lớn, nghĩa là muốn giảm điện dung của đoạn mạch. Ghép song song Gọi điện dung của các tụ điện là C 1, C2, Cn thì điện tích của các tụ điện là : Q1 = C1U, Q2 = C2U, , Qn = CnU Gọi điện tích của bộ tụ là Q thì : Q = Q1+Q2+ +Qn = (C1+ C2+ +Cn)U Q = C +C + +C U 1 2 n C = C1 +C2 + +Cn Vậy điện dung của hệ tụ điện ghép song song bằng tổng các điện dung của từng tụ điện. Cách ghép song song được dùng khi có một hiệu điện thế nhất định nhưng muốn thu được một điện tích lớn, nghĩa là muốn làm tăng điện dung của đoạn mạch. 8.5. Điện môi trong điện trường 8.5.1. Khái niệm sự phân cực của điện môi Sự xuất hiện các điện tích trên chất điện môi khi đặt nó vào điện trường gọi là sự phân cực của chất điện môi. 8.5.2. Giải thích . Ta có thể giải thích quá trình xuất hiện điện tích ở trên chất điện môi dựa vào cấu tạo phân tử của chất điện môi. Ở đây chỉ giới hạn nghiên cứu trường hợp chất điện môi đồng chất và đẳng hướng đặt trong điện trường đều. Chất điện môi đồng chất và đẳng hướng là chất điện môi trong đó các tính chất vật lý nói chung và sự phân cực nói riêng tại mọi điểm và theo mọi phương đều như nhau. Ta xét một khối điện môi đặt trong một điện trường và lần lượt nghiên cứu quá trình phân cực của hai loại chất điện môi: điện môi có cực và điện môi không có cực. Đối với điện môi có cực 47
30. Khi không có điện trường ngoài, vật điện môi được cấu tạo bởi các phân tử có cực vẫn không phân cực vì các mômen lưỡng cực phân tử của vật hướng hoàn toàn hỗn độn. Khi đặt điện môi vào điện trường ngoài, các lưỡng cực phân tử chịu tác dụng bởi ngẫu lực làm cho các lưỡng cực này có xu hướng định hướng song song với điện trường ngoài. Do đó vật điện môi bị phân cực. Ví dụ: Khi mẫu điện môi có cực được đặt trong điện trường đều (ví dụ trong điện trường bên trong hai tấm kim loại phẳng rộng, song song tích điện trái dấu và bằng nhau) thì do sự phân cực mà các mặt ngoài của điện môi trở thành các mặt nhiễm điện. Hình 8.12 Sự phân cực của điện môi có cực Đối với điện môi không có cực. Khi ta chưa đặt khối điện môi vào trong điện trường ngoài, các tâm điện tích dương và âm của các phân tử trùng nhau. Trong khối điện môi, không có các lưỡng cực phân tử xuất hiện và trên mặt khối điện môi cũng không có các điện tích xuất hiện Khi đặt điện môi trong điện trường ngoài, dưới tác dụng của điện trường thì các electron liên kết trong các nguyên tử bị xê dịch đi làm cho tâm điện tích dương và tâm điện tích âm của phân tử bị lệch nhau, khi đó các phân tử của điện môi sẽ trở thành các lưỡng cực. Các lưỡng cực này sắp xếp theo hướng của điện trường. Ví dụ: Khi mẫu điện môi không cực được đặt trong điện trường đều, chẳng hạn đặt trong điện trường bên trong hai tấm kim loại phẳng rộng, song song tích điện trái dấu và bằng nhau, thì do sự phân cực mà các mặt ngoài của điện môi trở thành các mặt nhiễm điện như hình vẽ. Hình 8.13: Sự phân cực của điện môi không có cực 8.5.3. Nhận xét Dù chất điện môi thuộc loại nào, khi đặt vào trong một điện trường ngoài thì ở trên hai mặt giới hạn của khối điện môi cũng xuất hiện các điện tích trái dấu. Các điện tích này đều là các điện tích liên kết, định xứ ở trên mặt giới hạn của khối điện môi. Đây là sự khác 48
31. biệt căn bản giữa hiện tượng phân cực của chất điện môi với hiện tượng hưởng ứng điện trên các vật dẫn. Các chất điện môi cấu tạo từ các phân tử không có cực có những đặc tính khá khác xa các chất điện môi cấu tạo từ các phân tử có cực. Các chất điện môi cấu tạo từ các phân tử không có cực thường có hằng số điện môi nhỏ hơn hằng số điện môi của các chất điện môi cấu tạo từ các phân tử có cực. Vì các lưỡng cực phân tử được tạo thành từ các phân tử không có cực do tác dụng của điện trường ngoài thường có mômen lưỡng cực nhỏ. Trong khi đó các chất điện môi cấu tạo từ các phân tử có cực đã có sẵn những mômen lưỡng cực khá lớn. Điện trường chỉ cần làm xoay hướng các mômen lưỡng cực đó. MỘT SỐ LƯU Ý TRONG DẠY HỌC PHẦN VẬT DẪN -TỤ ĐIỆN Trong sách giáo khoa người ta không đến vấn đề đo điện dung của tụ điện .Thông thường để đo điện dung của tụ điện người ta so sánh điện dung đó với điện dung của một tụ điện mẫu mà người ta đã biết chính xác điện dung . Để so sánh hai điện dung người ta so sánh điện tích mà hai tụ tích được dưới cùng một hiệu điện thế. Cho tụ điện phóng điện qua một điện kế xung kích. Góc quay cực đại của khung điện kế tỉ lệ với điện lượng đã chạy qua khung Người ta chứng minh sự tỉ lệ giữa điện tích Q mà tụ điện tích dược với hiệu điện thế U giữa hai bản của nó như dưới đây. Dựa vào định lý Ô-xtrô-grát-xki, người ta tìm được hệ thức sau đây giữa cường độ điện trường trong tụ điện và mật độ điện tích mặt của  U Q  S tụ điện E= . Mặt khác E= và  cuối cùng ta được Q 0 .U  0 d S d Để tăng điện dung của tụ điện người ta không thể tăng diện tích của các bản vì như thế tụ điện sẽ rất cồng kềnh. Người ta phải tăng hằng số điện môi của lớp cách điện hoặc giảm khoảng cách giữa hai bản sao cho vẫn không bị phóng tia lửa điện giữa hai bản. Các tụ điện hoá học đáp ứng được yêu cầu này. Điện dung của các tụ điện hoá học có điện môi là nhôm ôxit có thể lên đến vài chục milifara. Tuy nhiên loại tụ điện này có nhược điểm là điện dung không ổn định. Các tụ điện thông thường thì không có cực nhưng các tụ điện hoá học thì lại phải mắc đúng cực tính. Dù tiêu đề bài là tụ điện nhưng khi trình bày về nội dung của nó thì chủ yếu trình bày về tụ điện phẳng do đó trong quá trình dạy học giáo viên cần nhấn mạnh cho học sinh những vấn đề sau về tụ điện phẳng: -Khi tụ điện phẳng được tích điện thì điện tích của hai bản trái dấu nhau và có trị số tuyệt đối bằng nhau -Do hai bản rất gần nhau nên các đường sức xuất phát từ bản mang điện tích dương và tận cùng tại bản mang điện tích âm. Chỉ có một số rất ít các đường sức tản ra bên ngoài. Hai bên ngoài không có đường sức vì điện trường bằng không. Giáo viên cần lưu ý thêm một số tính chất quan trọng của tụ điện phẳng như điện trường bên trong tụ điện phẳng là điện trường đều, các đường sức ở bên trong tụ điện là các đường thẳng song song cách đều nhau còn các đường sức ở rìa tụ điện là các đường cong.Vì hai bản tụ điện có điện tích trái dấu nên điện trường tổng hợp tại các điểm ở bên ngoài hai bản tụ điện triệt tiêu nhau. Vì thế trong chương trình phổ thông sau này khi nói tới tụ điện ta hiểu ngầm rằng đó là những tụ điện có hai tính chất nói trên . Q Công thức C dễ gây hiểu nhầm cho học sinh là điện dung của tụ điện tỉ lệ U thuận với điện tích và tỉ lệ nghịch với hiệu điện thế khi được hỏi về sự phụ thuộc của điện dung vào hiệu điện thế và điện tích. Vì thế cần nhấn mạnh cho học sinh C không phụ thuộc vào U và Q mà phu thuộc vào hình dạng, kích thước, vị trí và môi trường giữa các bản của 49
32. tụ điện nói chung là phụ thuộc vào bản chất đặc tính bên trong của tụ điện. Giáo viên cũng cần lưu ý tới khái niệm điện môi bị đánh thủng và khái niệm điện trường giới hạn hay hiệu điện thế giới hạn của tụ điện.Chính vì hiện tượng điện môi bị đánh thủng (đã trình bày ở phần nội dung) nên người ta mới không thể tăng điện dung bằng cách giảm mãi khoảng cách giữa hai bản tụ điện, và vì tụ điện có một hiệu điện thế giới hạn nên ta lưu ý là không được đặt vào giữa hai bản tụ điện một hiệu điện thế lớn hơn hiệu điện thế giới hạn để tránh làm hỏng tụ điện. V. PHỤ LỤC 3b. Thiết kế bài dạy học V. PHỤ LỤC 3b Thiết kế bài dạy học BÀI 1. ĐIỆN TÍCH. ĐỊNH LUẬT CU-LÔNG A. MỤC TIÊU +Kiến thức -Nêu được các cách làm nhiễm điện một vật. -Phát biểu được định luật Cu-lông. -Nêu được đặc điểm của lực điện giữa giữa 2 điện tích điểm trong chân không và trong điện môi. + Kỹ năng - Áp dụng được công thức xác định lực Cu-lông trong chân không và điện môi để xác định lực tương tác giữa hai điện tích điểm. + Thái độ -Có hứng thú học môn vật lí -Có tinh thần hợp tác trong việc học tập cũng như trong việc áp dụng các hiểu biết về điện tích và định luật Cu-lông. B. CHUẨN BỊ +Dụng cụ thí nghiệm -Điện nghiệm. -Thanh thủy tinh, lụa, mẩu giấy vụn. -Mấy sấy tóc + Ảnh chụp cân xoắn của Cu-lông, các video clip về các thí nghiệm tĩnh điện hoặc một số hình vẽ to 1.3 đến 1.5 của sách giáo khoa. +Địa chỉ một số trang web có thể khai thác để thiết kế bài dạy học + Phiếu học tập Câu 1. Có hai điện tích điểm q1 và q2. Chúng đẩy nhau. Kết luận nào sau đây là đúng? a. q1 > 0 và q2 0 . c. q1 .q2 >0. d. q1 . q2 <0. 50
33. Câu 2: Đưa một quả cầu tích điện Q lại gần một quả cầu M nhỏ, nhẹ bằng bấc, treo ở đầu một sợi chỉ thẳng đứng. Quả cầu bấc M bị hút dính vào quả cầu Q và sau đó thì nó: a. tiếp tục bị hút dính với Q. b. rời Q và nhưng vẫn bị hút lệch về phía Q. c. rời Q và về vị trí thẳng đứng. d. bị đẩy lệch về phía bên kia. Câu 3: Khi tăng đồng thời khoảng cách và độ lớn các điện tích lên gấp đôi thì độ lớn của lực tương tác giữa chúng sẽ: a. tăng hai lần. b. gảm hai lần. c. giảm bốn lần d. không thay đổi. Câu 4: Có bốn vật A,B,C và D kích thước nhỏ, nhiễm điện. Biết rằng vật A hút vật B nhưng lại đẩy C. Vật C hút vật D. Phát biểu nào sau đây là đúng? a. A và D nhiễm điện trái dấu b. A và D nhiếm điện cùng dấu c. B và D nhiễm điện trái dấu d. A và C nhiễm điện trái dấu Đáp án Câu 1- C Câu 2- A. Câu 3-D Câu 4-A + Dự kiến ghi bảng Phần I. Điện học- Điện từ học Chương I. Điện tích. Điện trường Bài 1. Điện tích. Định luật Cu-lông 1. Hai loại điện tích. Sự nhiễm điện của các 2. Định luật Cu-lông vật a. Phát biểu: xem SGK a. Hai loại điện tích: q1q2 -Điện tích dương b.Biểu thức F k ; k=9.109Nm2/C2 r 2 -Điện tích âm c. Chú ý: Lực tĩnh điện -Các điện tích cùng tên đẩy nhau, khác 3. Lực tĩnh điện trong điện môi tên hút nhau -giảm lần; hằng số điện môi -Đơn vị Culông (C) q q -q= ne với e=1,6.10-19C 1 2 F k 2 -Phát hiện điện tích dùng điện nghiệm r b. Sự nhiễm điện -Cọ xát -Tiếp xúc -Hưởng ứng C. TỔ CHỨC CÁC HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC Hoạt động 1 ( 2 phút): Ổn định lớp Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh -Kiểm tra sĩ số, tình hình lớp học -Báo cáo sĩ số, tình hình lớp Hoạt động 2 ( 10 phút): Tìm hiểu về hai loại điện tích, sự nhiễm điện của các vật Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh -Giới thiệu phần 1 Điện học- Từ học 51
34. -Ghi tên phần, chương, đầu bài lên bảng -Chia nhóm, tổ chức hoạt động nhóm -Phân nhóm -Yêu cầu HS đọc phần 1.a SGK -Đọc phần 1.a SGK -Thảo luận nhóm về hai loại điện tích và - Yêu cầu nhóm trưởng trình bày nội dung tương tác giữa chúng và ứng dụng. thảo luận -Trình bày nội dung thảo luận trước lớp -Yêu cầu HS nhận xét trả lời của bạn -Nhận xét trả lời của HS và ghi nội dung -Đánh giá và nhận xét trả lời của bạn lên bảng. Cho HS xem ảnh và video clip. - HS theo dõi, quan sát -Yêu cầu học sinh đọc mục 1.b của SGK -Đọc phần 1.b của SGK -Tổ chức hoạt động nhóm -Trình bày các cách nhiễm điện -Yêu cầu HS trình bày các cách nhiễm điện -Nhận xét, đánh giá -Yêu cầu HS nhận xét trả lời của bạn. -Quan sát và ghi chép - Nhận xét trả lời của HS ,cho HS xem vieo clip và ghi nội dung lên bảng. - Nêu câu C1 của SGK. -Trả lời câu C1 của SGK Hoạt động 3 ( 20 phút): Tìm hiểu định luật Cu-lông Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh -Yêu cầu HS đọc mục 2 của SGK và tổ -Đọc mục 2. của SGK chức hoạt động nhóm -Thảo luận nhóm về cân xoắn, định luật - Yêu cầu nhóm trưởng trình bày nội dung Cu-lông - Yêu cầu HS nhận xét trả lời của bạn -Trình bày nội dung thảo luận trước lớp - Nhận xét trả lời của HS và ghi nội dung Đánh giá và nhận xét trả lời của bạn lên bảng. - Chiếu video clip. -Yêu cầu học sinh đọc mục 3 của SGK -Đọc mục 3 của SGK -Tổ chức hoạt động nhóm -Yêu cầu HS trình bày -Trình bày sự tương tác giữa các điện tích trong điện môi - Yêu cầu HS nhận xét trả lời của bạn -Nhận xét, đánh giá - Nhận xét trả lời của HS và ghi nội dung -Theo dõi, quan sát và ghi chép lên bảng. Chiếu bảng 1.1 của SGK - Nêu câu C2 của SGK. -Trả lời câu C2 của SGK Hoạt động 3 ( 8 phút): Vận dụng củng cố Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh -Phát phiếu học tập và yêu cầu HS trả lời. -Trả lời -Hướng dẫn. -Ghi vở Hoạt động 4 ( 5 phút): Giao nhiệm vụ học tập ở nhà Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh -Đọc, ghi tóm tắt và hướng dẫn các bài tập -Ghi bài tập về nhà 3 và 4 trang 9 SGK -Yêu cầu chuẩn bị bài tiếp theo. 52
35. Tài liệu tham khảo 1. Randall D. Knight (2002), Five essay Lessons Strategies for successful physics Teaching, Pearson Education, Addison Wesley. 2. David Haliday, Robert Resnick, Jearl Waker (1998), Cơ sở vật lí, Tập bốn, NXBGD 3. Nguyễn Thế Khôi (chủ biên) (2007), Vật lí 11 nâng cao Sách giáo viên, NXBGD. 4. 5. 6. 7. 8. 53