TỔ CHỨC DẠY HỌC CHƯƠNG ĐIỆN TÍCH ­ ĐIỆN TRƯỜNG docx

Năm 1767, với các phép tính lí thuyết, ông chứng tỏ rằng nếu lực điện tỉ lệ nghịch với n r 1 r là khoảng cách giữa các điện tích thì chỉ trong trường hợp r = 2 các điện tích mới dàn hết

TỔ CHỨC DẠY HỌC CHƯƠNG ĐIỆN TÍCH

ĐIỆN TRƯỜNG

TỔ CHỨC DẠY HỌC CHƯƠNG ĐIỆN TÍCH - ĐIỆN TRƯỜNG

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

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

đã có những dụng cụ cho phép tạo ra điện do ma sát khá mạnh, đủ để

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

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 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 -19 C 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

William Gilbert (1540 – 1603)

Benjamin Franklin (1706 – 1790)

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

điện tỉ lệ nghịch với n

r

1 (r là khoảng cách giữa các điện tích) thì 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

mặt ngoài của quả cầu rỗng Dựa vào cấp chính xác của dụng cụ

đo trong thí nghiệm của mình, Cavendish đã kết luận rằng

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

Henry Cavendish (1731 – 1810)

Charles Augustin de Coulomb (1736 – 1806)

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

~ 12

r F

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

1

q

q F

F =

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

Công thức

1.22

r

q q k

F = (3.1)

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

12

12 2 12

2 1 12

r

r r

q q k

trong đó F là vectơ lực tác dụng của điện tích 1 lên điện tích 212

12

r 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

2 2

1

r

q q k

F= (3.3)Nếu q1 và q2 cùng dấu thì tích q1.q2 > 0 và F cùng chiều với 12 r Khi đó lực điện 12

là lực đẩy

Nếu q1 và q2 trái dấu (loại) thì tích q1.q2 < 0 và F ngược chiều với 12 r Khi đó 12

lực điện là lực hút (Interaction Between Charged and Neutral Objects?)

F

= rút ra từ thực nghiệm như đã nói ở trên là một điều

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

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 nghiệm với độ chính xác cao, đã xác định số mũ của r, nếu ~ 21+δ

r

F thì δ < 10-9 Gần đây (1971) Williams Faller và Hill cho 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

2 2 1

r

q q k F

2 2 1

r

q q k

F dt = (1) 12 2

r

m m G

F hd = (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)

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 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 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

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

theo đề nghị của Stoney Năm 1894, Thomson đo được tỉ số

m

bert Andrews Millikan (1868 – 1953) John Joseph Thomson

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

1

kv mg d

U

q = + (4.1)q: điện tích của hạt dầu

U: hiệu điện thế giữa hai tấm kim loại

d: khoảng cách giữa hai tấm kim loại

Khi những hạt nhận thêm điện tích này đạt đến vận tốc không đổi v2 ta có

2)

d

U q

q+ n = + (4.2)qn: điện tích hạt dầu nhận thêm được

Máy phun giọt dầu

giọt dầu đã tích điện

Ion hoá bằng tia phóng xạ

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 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 (http://www.physicsclassroom.com/Class/estatics/u8l1a.cfm)

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

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

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

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

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

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

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

Chiếc lược đã bị nhiễm điện có khả năng

hút các mẩu giấy vụn Chiếc lược đã bị nhiễm điện có khả năng hút các phân tử nước

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

Định nghĩa

Sơ đồ máy lọc bụi

không khí sạch

không khí

có bụi

lưới 1

lưới 2 lớp lọc bằng than

lớp lọc bụi thông thường

Michael Faraday (1791 – 1867)

James Clerk Maxwell (1831 – 1909)

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 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 của các điện tích q1, q2, q3…Nhưng thực nghiệm cho thấy rằng tỉ số giữa lực F1 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 tác dụng lực lên các điện tích đặt ở điểm đó Ta gọi tỉ số

Cùng chiều với F nếu q>0, ngược chiều với F nếu q<0.

Độ lớn

q

F

E=

Định nghĩa cường độ điện trường

Cường độ điện trường tại một điểm là một đại lượng vectơ đặc trưng cho điện trường về phương diện tác dụng lực tại điểm đó Nó được xác định bằng thương số giữa lực tác dụng lên một điện tích thử q đặt tại điểm đó và độ lớn của q

Ở những điểm khác nhau, cường độ điện trường nói chung có giá trị, phương, chiều

khác nhau Nếu ta biết cường độ điện trường E tại một điểm nào đó trong không gian, thì

ta có thể xác định được lực tác dụng F lên một điện tích điểm q đặt tại điểm đó

- 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 thứcF =q E 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 mgur= ur

-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

Lực F do Q tác dụng lên q là

r

r r

Qq k

F = 2 (6.3)

trong đó r là độ dài vectơ OA, có gốc ở A, có ngọn ở A