“ SỬ DỤNG CÁC TÍNH CHẤT ĐỐI XỨNG CỦA TRƯỜNG ĐỂ GIẢI CÁC BÀI TẬP TRƯỜNG TĨNH ĐIỆN”

sử dụng tính chất đối xứng của trường để giải các bài tập trường tĩnh điện phù hợp cho luyện HSG phổ thông và SV các trường đại học, cao đẳng sư phạm. tài liệu trình bày cụ thể chi tiết cách giải các bài tập điện trường thường gặp, có bổ sung những bài tập nâng cao để tự luyện tập.

đề tài muốn tập trung nghiên cứu, kết hợp những ví dụ nhằm phân loại cáckiểu bài tập trong dạng toán những vật có kích thước đặc biệt.

2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trong nghiên cứu phần điện trường của chương trình phổ thông có cáchgiải phần cường độ điện trường chỉ giành cho ôn thi học sinh giỏi nhưng làmột phần khó đối với học sinh Đối với sinh viên đại học, phần này cũng gâynhiều khó khăn cho các bạn trong việc học tập và đây cũng là một phầnchương trình học của học viên cao học Nhằm giúp người học có thêm cáccách giải và góp phần giải quyết khó khăn trong quá trình học tập của họcsinh cũng như sinh viên,học viên, do đó, nhóm nghiên cứu thực hiện đề tài:

“ SỬ DỤNG CÁC TÍNH CHẤT ĐỐI XỨNG CỦA TRƯỜNG ĐỂ GIẢI CÁC BÀI TẬP TRƯỜNG TĨNH ĐIỆN” nhằm cung cấp thêm các cách giải

bài toán điện trường và giúp các bạn lựa chọn được các cách giải phù hợp vớibản thân

4.1 Đối tượng nghiên cứu

Các bài toán trường tĩnh điện

4.2 Phạm vi nghiên cứu

Phương pháp giải sử dụng các tính chất đối xứng của trường

5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Chương 1: Tổng quan về điện trường tĩnh và các tính chất đối xứng của trường

1.1 Điện trường tĩnh

1.2 Trường của một phân bố

1.3 Các tính chất đối xứng của trường

Chương 2: Sử dụng các tính chất đối xứng của trường để giải các bài tập trường điện tĩnh

2.1 Bài tập vận dụng nguyên lí chồng chất điện trường

2.2 Bài tập vận dụng định lí Gaus

6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

6.1 Phương pháp nghiên cứu lí thuyết

Phương pháp nghiên cứu lí thuyết là phương pháp giúp chúng em tổng hợpđược kiến thức về phần điện trường tĩnh từ đó có cái nhìn toàn diện hơn về

đề tài và có cơ sở để viết được phần tổng quan của đề tài

6.2 Phương pháp tổng kết kinh nghiệm

Phương pháp tổng kết kinh nghiệm là phương pháp tổng kết kinh nghiệm đã

có của bản thân cùng nhóm đề tài với tham khảo những nghiên cứu về vấn đềnày từ đó góp phần thực hiện tốt hơn đề tài

6.3 Phương pháp chuyên gia

Phương pháp chuyên gia là phương pháp hỏi ý kiến thầy cô giáo chuyên môn

về vấn đề này để có thêm những hướng dẫn giúp chúng em có thể thực hiện

đề tài tốt hơn

NỘI DUNG CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỂ CÁC TÍNH CHẤT ĐỐI XỨNG CỦA TRƯỜNG

Sau 18 năm kiên trì làm thí nghiệm, ông đã thiết lập được định luật Culong trong chân không và phát biểu như sau:

Lực tương tác giữa hai điện tích điểm, đứng yên tương đối với nhau, tỉ

lệ với tích độ lớn của hai điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng Lực tương tác có phương nằm trên đường thẳng vạch qua hai điện tích cùng loại, là lực hút nếu hai điện tích khác loại:

(1.1)Định luật Culong có thể viết dưới dạng vectơ như sau:

(1.2)

Trong đó k là hệ số tỉ lệ tùy thuộc vào việc chọn đơn vị của các đại lượng;

là vectơ vạch từ điện tích q1 đến điện tích q2; là vec tơ đơn vị hướng từ

điện tích q1 đến điện tích q2; lực là lực điện mà q1 tác dụng lên q2 Người ta quy ước điện tích dương nhận giá trị dương và ngược lại điện tích âm nhận giá trị âm Như vậy, q1, q2 có giá trị đại số Nếu hai điện tích q1 và q2 cùng loại, thì tích q1q2 >0 , cùng chiều với và lực điện là lực đẩy Ngược lại nếu q1 vàq2 khác loại, tích q1q2<0, , ngược chiều với , lực điện là lực hút Nhưng

dù là lực đẩy hay là lực hút, trong cả hai trường hợp lực đều là lực xuyên tâm (hình 1.1)

Hình 1.1

Như vậy, các công thức (1.1) và (1.2) mô tả đầy đủ nôi dung định luật

Culong Lực tương tác tĩnh điện còn được gọi là lực Culong

Trong hệ đơn vi SI, biểu thức định luật Culong có dạng:

-Thừa số trong các công thức phù hợp với tính đối xứng cầu của tương tack Culong.

1.1.1.2 Định luật Culong trong môi trường

Thí nghiệm chứng tỏ, lực tương tác tĩnh điện giữa các điện tích đặt trong môi trường vật chất (trong nước,dầu hỏa chẳng hạn) nhỏ đi lần so với lực tương tác điện giữa chúng đặt trong chân không là một đại lượng có thứnguyên, lớn hơn 1, đặc trưng cho tính chất điện của môi trường và được gọi làhằng số điện môi(hay độ thẩm điện môi) của môi trường Đối với không khí người ta đo được = 1,006; đối với nước nguyên chất = 81…

Như vậy, biểu thức định luật Culong trong môi trường có dạng:

Và

Cần chú ý các công thức cũng có thể áp dụng để xác định lực tương tác giữa hai quả cầu tích điện đều (mật độ điện tích có giá trị như nhau tại một điểm trên mặt, hoặc trong toàn bộ thể tích); khi đó r là khoảng cách giữa tâm hai quả cầu

1.1.1.3 Định luật bảo toàn điện tích

Thực nghiệm chứng tỏ rằng, sự xuất hiện điện tích trên một vật nào đó bao giờ cũng kèm theo sự xuất hiện điện tích khác loại với nó, bằng nó về độ lớn, ở trên vật khác Sự xuất hiện điện tích dương ở thanh thủy tinh khi nó bị

cọ xát vào lụa luôn luôn kèm theo sự xuất hiện điện tích âm ở trên lụa Trong

sự nhiễm điện do cảm ứng, sự xuất hiện điện tích ở một phần của vật xảy ra đồng thời với sự xuất hiện điện tích khác loại, có cùng độ lớn với nó, ở phần khác của vật Nhưng sự kiện đó chứng tỏ rằng trong mọi vật thể đều có nhữngđiện tích dương và điện tích âm Trong điều kiện bình thường, số điện tích dương bằng số điện tích âm, vì thế vật trung hòa về điện Mọi quá trình đều là

quá trình tách các điện tích âm và dương ra và phân bố lại các điện tích Những vật nào (hay phần nào của vật) có thừa điện tích âm thì nó nhiễm điện

âm Tổng các điện tích âm và dương toàn phần là không đổi, những điện tích

đó chỉ phân bố lại mà thôi Đó chính là nội dung của định luật bảo toàn điện tích, phát biểu như sau:

“ Đối với một hệ cô lập, tổng đại số điện tích của hệ luôn luôn không thay đổi:

Mọi kết quả thực nghiệm đều phù hợp với định luật này Định luật bảo toàn điện tích là một trong những định luật chính xác nhất của vật lí và có tính chấttuyệt đối đúng

1.1.1.4 Thuyết electron

Electron tham gia vào cấu tạo nguyên tử của tất cả các vật thể Vật lí học hiện đại đã khẳng định rằng: Các vật thể được cấu tạo nên từ các phân tử,các phân tử lại được hợp thành từ các nguyên tử

Nguyên tử của mọi nguyên tố đều được cấu tạo từ hạt nhân và các electron chuyển động xung quanh hat nhân Hạt nhân tích điện dương và mang hầu hết khối lượng của nguyên tử Điện tích của hạt nhân có độ lớn bằng giá trị tuyệt đối của tổng các điện tích âm của các electron trong nguyên

tử Vì vậy, ở trạng thái bình thường nguyên tử trung hòa về điện Nếu nguyên

tử mất bớt một hoặc vài electron, nó sẽ mang điện dương và trở thành ion dương Nếu nguyên tử nhận 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 nhận thêm hay mất đi một số electron hay ion Thuyết giải thích tính chất điện khác nhau của các vật thể dựa trên việc nghiên cứu electron và chuyển động của chúng gọi là thuyết electron

Như vậy điện tích q của vật bất kì mang điện bao giờ cũng là một số nguyên lần của điện tích nguyên tố e:

Điều đó có nghĩa là điện tích của một vật chỉ có thể có các giá trị rời rạc, giánđoạn, chứ không thể có bất kì giá trị nào Vì lẽ đó người ta nói rằng, điện tích

bị lượng tử hóa

1.1.1.5.Điện trường

Khái niệm điện trường Vec tơ cường độ điện trường

a, Khái niệm điện trường

Khi xét lực tương tác giữa các điện tích có thể đặt ra nhiều câu hỏi: Lực đó được truyền đi như thế nào? Có sự tham gia của môi trương xung quanh không? Khi chỉ có một điện tích thì không gian bao quanh điện tích đó

có gì thay đổi không?

Vật lí học đã chứng tỏ rằng, trong không gian bao quanh điện tích có tồn tại một dạng vật chất mới, gọi là điện trường Một tính chất căn bản của điện trường là nó tác dụng lực điện lên mọi điện tích đặt trong nó

Dưới đây ta xét điện trường của điện tích đứng yên, gọi là trường tĩnh điện (hay điện trường tĩnh)

b Vec tơ cường độ điện trường

Giả sử tại 1 điểm M nào đó trong điện trường người ta đặt một điện tích thử dương , đó là một điện tích có giá trị đủ nhỏ để nó không làm thay đổi điện trường mà ta đang xét Điện tích sẽ bị điện trường tác dụng một

lực Thực nghiệm chứng tỏ thương số không phụ thuộc vào điện tích thử

mà chỉ phụ thuộc vào vị trí của điểm M trong điện trường Như vậy có

nghĩa là, tại mỗi điểm xác định trong điện trường, vec tơ là một vectơxác định Do đó, ta có thể dùng vectơ đó để đặc trưng cho điện trường về mặt

tác dụng lực, tại điểm đang xét Người ta gọi vectơ (1.9)là vec tơ

cường độ điện trường và độ lớn E của nó được gọi là cường độ điện trường

Trong biểu thức (1.9) nếu đặt thì , nghĩa là: Vec tơ

cường độ điện trường tại một điểm là một đại lượng vectơ có trị số bằng lực tác dụng của điện trường lên một đơn vị điện tích dương đặt tại điểm đó

Trong hệ đơn vị SI, đơn vị của cường độ điện trường là vôn trên mét, kí hiệu

bằng

c Lực tác dụng lên điện tích đặt trong điện trường

Theo định nghĩa (1.9), nếu biết cường độ điện trường ta có thể xác định lực điện tác dụng lên một điện tích q đặt tại một điểm trong điện trường đó

Ta có:

Nếu thì cùng chiều với , còn nếu thì ngược chiều với

d Vec tơ cường độ điện trường của một điện tích điểm

Ta xét một điện tích điểm q đặt trong môi trường có hằng số điện môi Trong không gian bao quanh điện tích q có xuất hiện một điện trường T a hãy xác định vectơ cường độ điện trường tại một điểm M cách điện tích q một khoảng r Muốn vậy, ta tưởng tượng đặt tại M một điện tích thử

Theo định luật Culong lực tác dụng lên bằng:

Trong đó là bán kính vec tơ hướng từ điện tích q tới điểm M Dựa vào định nghĩa (1.9) ta có:

Như vậy vec tơ cường độ điện trường do một điện tích điểm q gây ra tại một điểm cách nó một khoảng r là một vec tơ có gốc tại điểm đó, có độ lớn:

Có phương là đường thẳng nối điện tích và điểm đó, có chiều hướng ra xa điện tích nếu , hướng về gần điện tích nếu (hình 1.6)

Hình 1.6.vec tơ cường độ điện trường của điện tích điểm

Kết quả trên đây đúng cho cả trường hợp vật mang điện đều hình cẩu, khi đó

r là khoảng cách từ tâm của vật đến điểm ta xét ở ngoài vật

1.3.2 Vec tơ cường độ điện trường do hệ điện tích điểm gây ra

a Nguyên lí chồng chất điện trường

Khi có nhiều điện tích điểm q1,q2,….qn thì mỗi điện tích gây ra một điện trường , ,… , Vec tơ cường độ điện trường do hệ điện tích đó gây

ra là:

(1.15)

Công thức trên biểu thị nguyên lí chồng chất điện trường:

Vec tơ cường độ điện trường gây ra bởi một hệ điện tích điểm bằng tổng các vec tơ cường độ điện trường thành phần gây ra bởi từng điện tích điểm của hệ

b Điện trường gây ra bởi vật mang điện

q>0

- q<0 E

Để xác định vec tơ cường độ điện trường do vật mang điện có kích

thước bất kì gây ra tại một điểm M, ta có thể áp dụng nguyên lí chồng chất điện trường Muốn vậy ta tưởng tượng chia vật mang điện thành nhiều phần rất nhỏ, sao cho điện tích dq của mỗi phần đó có thể coi là điện tích điểm, và

do đó, một vật mang điện bất kì có thể coi như một hệ điện tích điểm Gọi

là bán kính vec tơ hướng từ dq tới điểm M cách dq một khoảng r và là vec

tơ cường độ điện trường gây ra bởi dq tại M Theo (1.15) và (1.11), vec tơ cường độ điện trường do vật mang điện gây ra tại M là:

Ở đây ta đã thay dấu tổng trong (1.15) bằng dấu tích phân (vì là tổng các đại lượng vô cùng bé), thay bằng và phép lấy tích phân được thực hiện đối với toàn bộ vật mang điện

1.3.3.Đường sức Điện thông

Từ định nghĩa đó, ta thấy đường sức xác định hướng của vectơ cường độ điện trường của vectơ cường độ điện trường tại mỗi điểm mà nó đi qua, do đó xác định cả hướng của lực tác dụng lên một điện tích đặt tại đó.

Vì cường độ điện trường ở mỗi điểm chỉ có một giá trị xác định và có hướng xác định, nên những đường sức không cắt nhau Chúng chỉ xuất phát và kết thúc ở các điện tích hay ở vô cực Như vậy, đường sức của trường tĩnh điện không khép kín

+ Qua bất kì điểm nào (có ) cũng vẽ được đường sức, vì thế, số đường sức vẽ trong trường là tùy ý Do đó người ta thường đưa vào điều kiện liên hệ giữa độ lớn của cường độ điện trường với độ thưa mau của đường sức, đểkhi nhìn vào hình vẽ co thể dễ dàng thấy được độ lớn của cường độ điện trường

E trong không gian Muốn thế ta xét một diện tích vuông góc với đường sứccủa điện trường( hình 1.7) và đủ nhỏ để cho trong khoảng điện trường có thể coi như đều Người ta quy ước vẽ qua điện tích đó một số đường sức là , sao cho qua một đợn vị diện tích của có số đường sức bằng giá trị của

cường độ điện trường trong phạm vi :

Với điều kiện như vậy, mức độ mau thưa của đường sức (mật độ đường sức) liên hệ chặt chẽ với cường độ điện trường : Nơi nào cường độ điện trường lớn thì đường sức mau ( có mật độ lớn ) , nơi nào có cường độ điện trường nhỏ

thì đường sức thưa Đường sức của điện trường đều (như điện trường gây ra bởimặt phẳng rộng vô hạn tích điện đều ) là những đường thẳng song song cách đềunhau

Đường sức của điện tích điểm đặt cô lập là những đường thẳng hướng theo bán kính đi xa ra điện tích nếu nó l.à dương và đi về phía điện tích nếu nó

là âm Do đó , có thể coi điện tích dương là điểm bắt đầu còn điện tích âm là điểm kết thúc của các đường sức

Với hai điện tích điểm bằng nhau về độ lớn , cùng dấu và trái dấu , đường sức có dạng như hình 1.8 c , d

b, Điện thông

+ Trong điện trường ta xét một điện tích đủ nhỏ để có thể coi nó là phẳng và trong phạm vi đó , điện trường coi như đều Vẽ vectơ pháp tuyến đơn vị cho bằng véctơ mà =

Điện thông có thể nhận giá trị âm hay dương tùy theo chiều của pháptuyến của mà ta chọn

Nếu quy ước vẽ các đường sức sao cho mật độ của chúng liên hệ với giá trị của cường độ điện trường như ở (1.22) , thì điện thông qua mặt có độlớn bằng số đường sức đi qua

+ Muốn xác định điện thông qua một mặt S hữu hạn ta chia điện thích

đó ra thành những nguyên tố điện tích dS ( hình 1.9) Điện thông qua dS là d

= = dS và điện thông qua mặt S là :

Đối với mặt kín , ta luôn luôn chọn chiều của là chiều hướng ra phía ngoài mặt đó Vì thế , tại những nơi mà hướng ra ngoài mặt kín thì điện thôngtương ứng là dương ; còn tại những nơi mà hướng vào trong mặt kín (đường sức xuyên vào thể tích bao bởi mặt kín ) thì điện thông tương ứng là âm Trong

hệ SI , đơn vị của điện thông tương ứng là vôn.mét ( V.m)

1.3.4.Định lí Otrogradski – Gauss (gọi tắt là định lí Gauss) biểu thị mối liên hệ giữa điện trường cà điện tích

a Phát biểu

Điện thông qua một mặt mặt kín trong chân không bằng tổng đại số các điện tích

có mặt bên trong mặt đó chia cho

Trong môi trường điện môi có hằng số điện môi,ta có:

Hay

1.2.5 Lưỡng cực đặt trong điện trường

Lượng cực điện là một hệ thống gồm hai điện tích điểm +q và –q, đặt cố địnhvới nhau một khoảng l nhỏ Lưỡng cực được đặc trưng bằng mômen điện

( là vec tơ độ dài của lưỡng cực, hướng từ điện tích âm sang điện tích

âm sang điện tích dương)

Ta xét tác dụng của điện trường lên lưỡng cực

a Trường hợp điện trường đều

Khi đó các lực tác dụng lên hai điện tích của lưỡng cực điện có độ lớn bằngnhau(F=qE) và ngược hướng với nhau; chúng tạo nên ngẫu lực có mô men:

Với là góc giữa vec tơ và vec tơ Vec tơ mômen ngẫu lực có phươngtrùng với trục quay của lưỡng cực điện, tức là vuông góc với và Dưới dạngvectơ ta có:

Ngẫu lực này có tác dụng làm cho lượng cực điện quay trong điện trường saocho hai vectơ và song song với nhau Vị trí cân bằng của lưỡng cực điện là

vị trí ở đó mô men ngẫu lực bằng không, ứng với và Vị trí ứngvới là vị trí cân bằng bền Còn với ta có trạng thái cân bằng khôngbền, vì chỉ cần lượng cực điện quay lệch khỏi vị trí đó một chút là sẽ xuất hiệnngay mô men ngẫu lực làm nó lệch thêm khỏi vị trí này

b Trường hợp điện trường không đều

Đầu tiên để cho đơn giản ta giả thiết rằng lưỡng cực điện đã nằm dọc theo mộtđường sức của điện trường ( ) Khi đó lực tác dụng lên các điện tích khôngbằng nhau và lwucj tổng hợp lên lưỡng cực điện là khác không Ta chọn trục tọa

độ x hướng theo chiều của vec tơ (tức là chiều của vec tơ ).Vì điện trườngkhông đều , nên cường độ điện trường tại điểm đặt điện tích –q là E, còn cường

độ điện trường tại điểm đặt điện tích +q là Lực tổng hợp tácdụng lên lưỡng cực có độ lớn là:

Và hướng về phía điện trường mạnh Dễ thấy rằng, trong điện trường đều

,lúc đó F=0

Như vậy, nếu đặt lưỡng cực điện vào một điện trường không đều thì nóchịu tác dụng của lực và ngẫu lực có xu hướng làm cho nó quay trong điệntrường dến khi mô men lưỡng cực có phương trùng với ; còn lực thì có tácdụng kéo lưỡng cực điện về phía điện trường mạnh

C, Thế năng của lưỡng cực điện

Sự định hướng của lưỡng cực điện trong điện trường có liên quan đến thế năngcủa nó Khi lưỡng cực điện ở trong định hướng cân bằng, cùng chiều với ,thế năng của nó đạt giá trị cực tiểu; thế năng của lưỡng cực có giá trị lớn hơn ởmọi định hướng khác của lưỡng cực.Bởi vì chỉ có hiệu thế năng mới có ý nghĩavật lí, ta có thể quy ước: thế năng lưỡng cực điện bằng 0 khi góc Ta tìmđược thế năng W của lưỡng cực điện khi góc có giá trị bất kì bằng cách tính

công A mà điện trường cần thực hiện để làm lưỡng cực quay từ đến :

Từ đó ta thấy thế năng lưỡng cực là nhỏ nhất ( khi , nghĩa

là khi và cùng chiều, và thế năng của nó có giá trị lơn nhất

khi , nghĩa là khi và ngược chiều nhau

1.2 Trường của một phân bố

1.1 Điện thế Hiệu điện thế

1.4.1 Công của lực tĩnh điện.Tính chất của trường tĩnh điện Thế năngcủa điện tích trong trường

Để nghiên cứu trường tĩnh điện người ta còn có thể đặc trưng cho

nó bằng khái niệm điện thế, liên hệ chặt chẽ với công dịch chuyển điện tíchtrong điện trường

a Công của lực tĩnh điện

Một điện tích q đặt trong điện trường chịu tác dụng của lực điện

Nếu điện tích q dịch chuyển theo đường cong L từ điểm A đến điểm B,thì lực điện trường thực hiện công:

Trong đó dl là nguyên tố độ dài trên đường đi L; tích phân lấy theo đường

đi từ điểm A tới điểm

Để cho cụ thể ta xét điện trường do một điện tích Q đặt tại điểm O gây

ra và điện tích q dịch chuyển trong điện trường đó từ A đến B (kí hiệu OA=

) Công nguyên tố bằng:

Trong đó là góc giữa vec tơ và vec tơ , và là hình chiếu của véc tơ dịch chuyển lên phương vec tơ bán kính (r là khoảng cách từ điện tích Q đến điểm M trên đường dịch chuyển M) Công của lực điện trường khi q dịch chuyển từ A đến B là:

Hay b Tính chất thế của trường tĩnh

điện

Các công thức trên cho thấy: Công của lực điện trường tĩnh khi dịch chuyển điện tích q theo một đường cong bất kì chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm đầu và điểm cuối đường đi, mà không phụ thuộc vào hình dạng đường đi Kết quả đó chứng tỏ điện trường tĩnh là trường thế, giống như trường hấp dẫn

c Thế năng của một điện tích trong điện trường

Trong cơ học ta đã biết rằng, công của lực tác dụng lên vật trong trường lực thế (như trường hấp dẫn) bằng độ giảm thế năng của vật đó trong trường lực Vì điện trường tĩnh là trường thế, nên công mà lực điện trường thực hiện khi một điện tích q dịch chuyển từ điểm A đến điểm B chính bằng hiệu thế năng của điện tích đó ở A và B:

(1.41)Trong đó là thế năng của điện tích q tại vị trí A và B và có biểu thức là:

Từ đó suy ra biểu thức thế năng của một điện tích điểm q đặt trong điện truwongf của điện tích điểm Q và cách điện tích này một đoạn r bằng:

W còn được gọi là thế năng tương tác của hệ điện tích q và Q

Người ta thường quy ước chọn thế năng của điện tích điểm q khi nó ở cách xa Q(hay ) vô cùng, bằng không, khi đó ta có Với quy ước đó ta có

1.4.2.Điện thế Hiệu điện thế

a Điện thế

Từ các công thức trên ta thấy: thương số không phụ thuộc vào độ lớn của điệntích q mà chỉ phụ thuộc vào các điện tích gây ra điện trường và vào vị trí của điểm đang xét trong điện trường Vì vậy, ta có thể dùng thương số đó để đặc

trưng cho điện trường tại điểm đang xét, và ta gọi thương số là điện thế

của điện trường tại điểm đang xét

Công thức tính điện thế của điện trường gây ra bởi một điện tích điểm Q tại một điểm cách Q một khoảng r:

b Hiệu điện thế

Ta cũng thấy thương số không phụ thuộc vào độ lớn của điện tích q mà chỉ phụ thuộc vào các điện tích gây ra điện trường và vào vị trí của các điểm A và B

trong điện trường Thương số được gọi là hiệu điện thế giữa hai điểm A và

B trong điện trường, kí hiệu

Nếu lấy q=+1 đơn vị điện tích thì

Vậy, hiệu điện thế giữa hai điểm A và B trong điện trường là một đại lượng có trị sô bằng công của lực tĩnh điện trong sự dịch chuyển của một đơn vị điện tích

từ điêm A tới điểm B

1.4.3 Mặt đẳng thế

Trong điện trường, nói chung, điện thế biến đổi từ điểm này đến điểm khác

Để thấy được cụ thế sự phân bố điện thế trong điện trường, người ta đưa ra khái niệm mặt đẳng thế

1.4.1 Liên hệ giữa vec tơ cường độ điện trường và điện thế

Vec tơ cường độ điện trường và điện thế đều là các đại lượng đặc trưng cho tính chất của điện trường; do đó giữa hai đại lượng đó có mối liên hệ xác định

a.Hệ thức vi phân giữa vec tơ cường độ điện trường và điện thế

Xét hai mặt đẳng thế (I) và (II) gần nhau trong điện trường , ứng với các giátrị điện thế V và V+dV, trong đó Tại điểm M của mặt (I) vẽ pháp tuyến hướng về phía điện thế tăng, cắt mặt (II) ở , Vì vec tơ vuông góc với mặt đẳng thế, nên vec tơ nằm dọc theo

Công của lực điện trường khi dịch chuyển một điện tích dương q từ điểm M đến điểm N là:

Mặt khác, ta có:

Trong đó là hình chiếu của vec tơ trên phương của ; -dV là

độ giảm điện thế đoạn dl=MN

Vậy: Hình chiếu của vec tơ cường độ điện trường trên một phương nào đó vềtrị số bằng độ giảm điện thế trên một đơn vị dài của phương đó

Bởi vì độ giảm điện thế trên đoạn cũng bằng –dV, nên, nếu gọi

là hình chiếu của trên phương của ; thì ta có:

1.4.5 Thế năng của hệ điện tích

Giữa các điện tích có lực tương tác Culong Khi dịch chuyển các điện tích, ta cần thực hiên công Vì thế, một hệ điện tích có dự trữ thế năng Ta hãy tính thế năng tương tác của hệ điện tích

a Ta biết rằng, nếu điện tích điểm q2 đặt trong điện trường của một điện tích điểm q1, thì, thế năng tương tác của hệ điện tích điểm q1 và q2 là:

Với là khoảng cách giữa q1 và q2 Ta có thể viết lại biểu thức trên như sau:

Trong đó, điện thế tại vị trí của q1 (do q2 gây ra) và

diện thế tại vị trí của q2 (do q1 gây ra)

 Nếu hệ gồm ba điện tích q1,q2,q3 với các khoảng cách giữa chúng tương ứng , thì thế năng tương tác của hệ ba điện tích đó bằng:

Trong đó, lần lượt là điện thế tại vị trí của mỗi điện tích q1, q2, q3

do hai điện

Điện môi trong điện trường

1.1.Sự phận cực của chất điện môi

1.1.1.Hiện tượng phân cực điện môi

Khác với vật dẫn, trong điện môi hầu như không có các hạt mang điệntích tự do, mọi electron đều liên kết chặt chẽ với nguyên tử

Tuy vậy, do điện môi được cấu tạo từ các hạt mang điện (electron và hạtnhân), nên nó có những tính chất điện xác định Thực nghiệm chứng tỏ, khiđặt một thanh điện môi đồng tính vào trong điện trường ta thấy thanh đó vẫntrung hòa điện nhưng ở hai mặt của thanh vuông góc với phương của điệntrường có xuất hiện những điện tích trái chiều Nguyên nhân của hiện tượng

đó là do điện môi bị phân cực trong điện trường Các điện tích đó gọi là điệntích phân cực

1.1.2.Cấu trúc phân tử của chất điện môi

Để giải thích được sự phân cực điện môi, ta cần nghiên cứu tính chấtđiện của các phân tử điện môi Do sự khác nhau về cấu trúc phân tử của điệnmôi mà sự phân cực ở chúng xảy ra khác nhau Tùy theo sự phân bố của các

electron xung quanh hạt nhân Người ta phân biệt hai loại phân tử điện môi:phân tử không có cực và phân tử có cực.

Phân tử không có cực là loại phân tử có phân bố electron đối xứng xungquanh hạt nhân Vì vậy, ở trạng thái bình thường khi chưa đặt trong đặt điệntrường, tâm của các điện tích dương và tâm các điện tích âm trùng nhau (hình1.20a trang 40), do đó mômen điện của nó bằng không

Hình 1.20a Cấu trúc của phân tử điện môi không có cực

Đó là trường hợp của phân tử điện môi như H2 ,N2 ,CCl4 , các hiddrocacbonv.v…Điện môi cấu tạo từ những phân tử như vậy gọi là điện môi không cócực

Phân tử có cực là loại phân tử có phân bố electron không đối xứng xungquanh hạt nhân Vì vậy, ở trạng thái bình thường khi chưa đặt vào trong điệntrường, tâm của các điện tích dương không trùng với tâm của các điện tích âm(hình 1.20b trang 40), chúng nằm cách nhau một đoạn l có giá trị xác định

Do đó, phân tử là một lưỡng cực điện có mômen               p ql               

; độ lớn của mômenđiện không chịu ảnh hưởng của tác động điện trường ngoài Một số điện môi

có phân tử thuộc loại này; đó là các chất như H2O, NH3, HCl, CH3Cl v.v…,gọi là điện môi có cực

1.1.3 Giải thích sự phân cực của chất điện môi

Trường hợp điện môi không cực Xét một khối điện môi không cực,đồng chất và đẳng hướng Khi đặt điện môi trong điện trường, mỗi phân tửđiện môi chưa phải một lưỡng cực, điện môi trung hòa điện Khi đặt trongđiện trường ngoài, các điện tích âm và dương trong nội bộ phân tử dịch

chuyển về hai phía ngược nhau, lớp vỏ electron bị biến dạng khiến cho cáctâm của điện tích âm và của điện tích dương cách một khoảng nhỏ Kết quả

là, tuy phân tử vẫn trung hòa về điện nhưng lại có mômen điện khác không:phân tử trở thành một lưỡng cực điện (hình 1.21a trang 41)

Hình 1.21a Sự phân cực của các điện môi không cực

Hình 1.21b Sự phân cực của điện môi không cực

Dưới tác dụng của điện trường ngoài, mômen điện của các phân tử điện môiđều hướng theo điện trường (hình 1.21b) và trên mặt giới hạn của điện môixuất hiện các điện tích liên kết trái dấu Chuyển động nhiệt không ảnh hưởng

E

0

+-

gì đến sự biến dạng của lớp vỏ electron, sự phân cực điện môi ở đây, gây nên

do sự dịch chuyển của electron trong nội bộ phân tử dưới tác dụng của điệntrường ngoài, được gọi là sự phân cực electron

Trường hợp điện môi có cực

Khi chưa đặt điện môi vào trong điện trường ngoài, các phân tử (lưỡng cựcđiện) chuyển động hỗn loạn và sặp xếp hỗn loạn theo mọi phương (hình1.22a), các điện tích trái dấu của các lưỡng cực điện trung hòa nhau,tổngmômen điện của các phân tử bằng không: toàn bộ khối điện môi chưa tíchđiện

Hình 1.22a Sự phân cực điện môi có cực

Khi đặt điện môi trong điện trường ngoài E , mỗi phân tử lưỡng cựcchịu tác dụng của một ngẫu lực, có xu hướng làm cho nó định hướng songsong với điện trường ngoài Tuy nhiên, chuyển động nhiệt lại có tác dụng làmcho các phân cực sắp xếp hỗn loạn, tức là chống lại sự định hướng đó, kết quả

là các phân tử được định hướng ưu tiên theo phương điện trường, và sự địnhhướng này phụ thuộc vào cường độ điện trường ngoài và nhiệt độ Sự địnhhướng càng mạnh nếu điện trường càng mạnh và nhiệt độ càng thấp Nhờ đó,tổng mômen của các phân tử lưỡng cực trong điện môi khác không, và trêncác mặt giới hạn của điện môi có xuất hiện các điện tích liên kết trái dấu: Ởmặt giới hạn mà các đường sức đi vào có xuất hiện điện tích âm; ở mặt giới

hạn mà các đường sức điện trường đi ra có xuất hiện điện tích dương ( hình1.22b).

Hình 1.22b Sự phân cực của điện môi có cực

Quá trình phân cực vừa mô tả ở trên, do sự định hướng của các phân tửlưỡng cực quyết định, còn được gọi là sự phân cực định hướng

Trường hợp điện môi tinh thể Nhiều chất điện môi rắn có mạng tinhthể cấu tạo như ion ( dương và âm ) Đối với các điện môi tinh thể có mạngtinh thể lập phương ( như CsCl, NaCl ) ta có thể coi toàn bộ tinh thể như một

“phân tử” khổng lồ gồm hai mạng ion dương và ion âm lồng vào nhau Chẳnghạn với điện môi CsCl, ta có hai mạng ion (Cs+ và ion Cl- ) Khi đó, dưới tácdụng của điện trường ngoài, các mạng ion dương dịch chuyển theo chiều điệntrường, còn các ion âm dịch chuyển ngược chiều điện trường, làm cho mạngtinh thể có mômen điện, tức là điện môi bị phân cực Sự phân cực này đượcgọi là sự phân cực ion ( hình 1.23 )

Hình 1.23 Sự phân cực của các điện môi tinh thể.

1.2 Vectơ phân cực và điện tích phân cực

p i P

được phép tính thống kê; là P  véc tơ mômen điện thứ i; p

+

+

+ +

Cs +

mômen điện toàn phần trong  V Trong hệ đơn vị SI, đơn vị của P là culôngtrên mét vuông (C/m2).

Nói chung, vectơ P  thay đổi tùy theo vị trí mà ta xét trong điện môi.Nếu điện môi là đồng chất và đẳng hướng, mômen điện của các phân tử làbằng nhau, vectơ  P có giá trị như nhau ở mọi điểm Sự phân cực như thế gọi

không có thứ nguyên, không phụ thuộc vào cường độ điện trường và được gọi

là độ cảm điện môi ( hay hệ số phân cực) Độ cảm điện môi  phụ thuộc vào

bản chất của điện môi và vào các điều kiện vật lí của điện môi, nhưng luônluôn   0 ( Đối với chân không   0)

1.2.2 Điện tích phân cực

 Đặt một bản điện môi đồng chất, phẳng có hai mặt song song trongmột điện trường đều  E ( hình 1.24)

-

P

Pnn

đó có điện tích liên kết âm; còn ở nơi nào có đường sức điện trường đi ra khỏikhối điện môi (En  0) thì ở đó có điện tích liên kết dương.

1.3 Điện trường trong điện môi

1.3.1 Khi đặt khối điện môi trong điện trường ngoàiE 0 thì trên mặt giới hạn

có xuất hiện các điện tích liên kết trái dấu nhau với mật độ mặt   ' và   '

; các điện tích này sẽ gây ra một điện trường phụ '

E



Do đó, điện trườngtổng hợp lại một điểm trong điện môi bây giờ là:

' 0

Hình 1.25 Điện trường trong điện môi

Khi đó điện trường ngoài Eo  là điện trường đều Do tác dụng của điệntrường  Eo khối điện môi đó bị phân cực và trên các mặt giới hạn cảu nó cóxuất hiện các điện tích liên kết với mật độ điện mặt là   ' và   ' Các điện

tích liên kết này gây ra trong điện môi một điện trường phụ  E ' cùng phươngnhưng ngược chiều Eo



Vectơ cường độ điện trường tổng hợp E 

tại một điểm M bất kì trong khối điện môi bằng:

  (1.69), trong đó E ' là cường độ điện trường gây ra bởi hai

mặt phẳng song song vô hạn, mang điện với mật độ điện mặt là  ' và   '

E

0

-σ ’ ’ +σ ’

trong chân không; do đó theo (1.31),

' '

1.3.3 Kết quả (1.70) cũng đúng cho trường hợp tổng quát

Vậy: Cường độ điện trường trong điện môi giảm đi  lần so với cường độđiện trường trong chân không Kết quả này đã được minh họa trong một sốtrường hợp cụ thể ở 1.2

1.4 Một số tính chất đặc biệt ở điện môi tinh thể

1.4.1.Hiện tượng xenhét – điện

Một loạt điện môi tinh thể có những tính chất đặc biệt Đầu tiên, vào nhữngnăm 1930 -1934 những tính chất đó được tìm thấy ở tinh thể muối xenhét Do

đó, những tính chất đó được gọi chung là chất xenhét điện (điện môi xenhét).Muối xenhét có công thức NaK(C2H2O3)2.4H2O (bitactrat natri kali ngậmnước), là một tinh thể dị hướng

Chất xenhét – điện có những đặc tính chính sau đây:

+Hằng số điện môi của chúng phụ thuộc vào nhiệt độ, và trong mộtkhoảng nhiệt độ xác định nào đó, hằng số điện môi có giá trị đặc biệt lớn, cóthể đạt giá trị hàng nghìn đến hàng vạn;

+Hằng số điện môi và do đó , hệ số  của nó phụ thuộc vào cường độ điệntrường E trong điện môi Vì thế, vectơ phân cực P

, vectơ cảm ứng điện D

không tỉ lệ bậc nhất với vectơ cường độ điện trường E

+Sự phân cực của xen hét điện không những chỉ phụ thuộc vào giá trị củacường độ điện trường mà còn phụ thuộc vào các trạng thái phân cực trước đócủa điện môi Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng điện trễ (hay phân cựccòn dư) Sự phụ thuộc của độ lớn vectơ phân cực P vào điện trường E códạng như hình 1.26

nào đó (phân cực còn dư) Chỉ khi đổi chiều điện trường và đưa nó tới giá trị Ekđ

thì sự phân cực mới hoàn toàn mất đi Ekđ gọi là điện trường kháng điện Nếutiếp tục cho cường độ điện trường biến thiên –E1 , rồi từ -E1 về không, sau đó lạiđổi chiều điện trường và tiếp tục tăng giá trị của cường độ điện trường từ 0 đến

E1 , ta được một đường cong khép kín, gọi là chu trình điện trễ

+ khi tăng nhiệt độ tới quá trình nhiệt độ Tc nào đó, chất xen hét – điện sẽ mấthết các tính chất đặc biệt nêu trên và trở thành một bình điện môi bình thường ,nhiệt độ Tc đó được gọi là nhiệt độ Curie Đối với muối xen hét , Tc ≈ 25ͦ C

Sở dĩ chất xen hét- điện có các tính chất đặc biệt như đã nêu trên là vì : trongkhối chất đó có tồn tại các miền phân cực tự nhiên (hay tự phát ) , được tạo nên

do có sự tương tác đặc biệt mạnh giữa các nguyên tử ,phân tử trong mạng tinh