Giáo trình vật lí đại cương lý sinh

- Tốc độ truyền âm phụ thuộc vào mật độ môi trường và tính chất đàn hồi của môi trường.Trong quá trình truyền âm, cường độ âm càng đi xa nguồn càng giảm mau vì các lí do sau: + Các phần

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH PHÚ THỌ

LỜI NÓI ĐẦU

Vật lý học là một ngành khoa học tự nhiên nghiên cứu những tính chất, quy luật cơbản và khái quát nhất của thế giới vật chất Những thành tựu của vật lý được ứng dụng rộngrãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong Y học, những ứng dụng của Vật lý học như: sử dụngcác kĩ thuật vật lý trong chẩn đoán và điều trị, điện tim, điện tâm đồ, điện não đồ, điều trịbằng nhiệt, bằng từ trường, ứng dụng của âm và siêu âm, chụp X quang, sợi quang học trong

mổ nội soi, ứng dụng của phóng xạ, chụp hình cắt lớp vi tính, chụp cộng hưởng từ hạt nhân,mắt và các dụng cụ quang học, ứng dụng của ánh sáng trong điều trị, những ứng dụng củalaser đã làm cho ngành Y có một sự phát triển vượt bậc, giúp các thầy thuốc chẩn đoánchính xác và điều trị có hiệu quả cao

Giảng dạy môn Vật lý - Lý sinh y học nhằm trang bị cho sinh viên ngành Y nhữngkiến thức vật lý cơ bản nhất liên quan phục vụ ngành nghề Y – Dược, rèn luyện cho sinhviên phương pháp tư duy khoa học, kết hợp giữa lý thuyết với thực tiễn, đồng thời giúp họ

có thể học các môn học khác như: Sinh, Hoá, Hoá - Lý, Vật lý trị liệu - phục hồi chứcnăng, Chẩn đoán hình ảnh, y học hạt nhân,… và các môn học khác có liên quan

Xin chân thành cảm ơn!

Tác giả Chịu trách nhiệm xuất bản:

Chịu trách nhiệm nội dung:

Chủ biên: Th.S Nguyễn Thị Thúy Hằng

Chế bản:

Số lượng bản in:

MỤC LỤC

STT Nội dung Trang số Tác giả

lỏng

21

PHẦN 1 VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG

Bài 1

DAO ĐỘNG VÀ SÓNG 1.1 CHUYỂN ĐỘNG DAO ĐỘNG

Dấu (-) do lực đàn hồi luôn ngược chiều với vectơ dịch chuyển x k: hệ số đàn hồi

của lò xo Phụ thuộc bản chất của lò xo

Đến vị trí cân bằng = 0 Nhưng do quán tính, vật tiếp tục chuyển động sang trái một đoạn đúng bằng x (nếu bỏ qua ma sát của không khí)

Lúc đó lại xuất hiện lực đàn hồi do lò xo phải kéo, lò xo trái đẩy, vật lại qua vị trí cân bằng rồi sang phải

Quá trình cứ lặp lại như vậy nhiều lần sau từng khoảng thời gian bằng nhau Người ta gọi chuyển động đó là chuyển động dao

- Con lắc đơn

Một đầu dây buộc vào vật nặng khối lượng m,

đầu kia buộc vào bản cố định

Trong đó: : theo phương kéo dài của dây treo

: có tác dụng kéo con lắc về vị trí cân bằng

Ở vị trí cần bằng =0 Nhưng do còn quán tính nó lại tiếp tục sang trái (giả thiết như ban đầu bài toán đề ra: dây treo mảnh, góc α nhỏ, bỏ qua ma sát của không khí) Con lắc lệch sang trái một góc đúng bằng α và lúc đó lại xuất hiện kéo vật về vị trí cân bằng Cứ như vậy chuyển động của con lắc lặp đi lặp lại sau những khoảng thời gian như nhau

Lực là lực gây ra chuyển động dao động:

Pn = P.sinα (1.3)

Vì α nhỏ ⇒ sinα ≈ α Ta có:

Pn gọi là lực chuẩn đàn hồi

1.1.2 Phương trình dao động điều hoà

Trong 2 ví dụ trên nếu không có ma sát của môi trường thì độ dịch chuyển x và góclệch α về 2 phía đối với vị trí cân bằng là bằng nhau Dao động sẽ thực hiện trong một thờigian dài

Nếu ly độ x của dao động biến đổi điều hòa thì dao động gọi là dao động điều hoà.Trong dao động này độ lệch cực đại (hay biên độ) không đổi theo thời gian Ngược lại nếu

có ma sát của môi trường, độ lệch cực đại (hay biên độ) sẽ giảm dần, sau một thời gian sẽngừng chuyển động Ta gọi là dao động tắt dần

Đây là phương trình vi phân cấp 2 có vế phải bằng 0.

Vì m>0 nên ta có thể chia cho m, khi đó:

a = xmax ứng với cos( = ± 1

( là một góc, gọi là pha của dao động

: là tần số góc ( tốc độ góc của vecter biên độ dao động)

t: thời gian dao động

T: Chu kỳ dao động Là thời gian để dao động thực hiện một dao động toàn phần: là góc, là pha đầu của dao động, ứng với t = 0

1.2.3 Các loại sóng

Khi truyền trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng, dao động sẽ lan truyền vềmọi phía với vận tốc như nhau Để đơn giản ta chọn một phương nào đó, gọi là phươngtruyền sóng

Nếu phương truyền sóng mà các phần tử của môi trường dao động vuông góc vớiphương truyền sóng, gọi là sóng ngang Ví dụ: sóng ánh sáng, sóng trên mặt nước

Nếu các phần tử của môi trường dao động song song với phương truyền sóng thì đó

là sóng dọc Ví dụ: sóng di chuyển của lò xo khi co dãn, sóng âm trong không khí

Phươ ng truyềnPhươ ng dao động

Sóng ngang

động

phương truyền

Sóng dọc

1.2.4 Các thông số cơ bản

a Bước sóng (λ )

Là khoảng cách ngắn nhất giữa các phân tử của môi trường dao động đồng pha hoặc

là quãng đường sóng truyền đi được trong một chu kì

Quãng đường truyền sóng truyền được trong 3một đơn vị thời gian Đơn vị đo: m/s

Chú ý: Vận tốc dao động của phân tử khác vận tốc lan truyền sóng

1.3 SÓNG ÂM

1.3.1 Định nghĩa

Sóng âm là những dao động truyền trong các môi trường vật chất đàn hồi (rắn, lỏng,khí) Sóng âm không truyền trong chân không

1.3.2 Phân loại

Tiêu chuẩn để phân loại sóng âm là tần số

Âm nghe Siêu Siêu siêu

Với tần số 0 →16 Hz: Vùng hạ âm; sóng đàn hồi gây ra do động đất, bão truyềntrong nước biển …

Với tần số 16 Hz →20 KHz: Tai người bình thường nghe được

như dơi, chó có thể nghe được )

Với tần số 109Hz → 1013 Hz: siêu siêu âm 1013Hz là giới hạn trên vì bước sóng ở tần

số này vào khoảng chiều dài khoảng cách giữa các phân tử chất rắn

Đơn vị đo của cường độ âm là: W/m2

- Tốc độ truyền âm phụ thuộc vào mật độ môi trường và tính chất đàn hồi của môi trường.Trong quá trình truyền âm, cường độ âm càng đi xa nguồn càng giảm mau vì các lí do sau: + Các phần tử của môi trường dao động, ma sát với môi trường do đó có một phần nănglượng dao động phải dùng để thắng ma sát và biến thành nhiệt năng làm nóng môi trường + Âm trong khi truyền gặp mặt phân cách 2 môi trường cũng phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạtương tự ánh sáng Chính hiện tượng phản xạ làm giảm rất nhiều cường độ sóng âm đi tới

- Mức cường độ âm:

I

I0

Trong đó: I là cường độ âm tại điểm đang xét I0 là cường độ âm chuẩn

Đơn vị: Ben (B) Ngoài ra hay dùng đơn vị dexiben dB: 1B = 10dB

- Phổ của âm: Là tổng hợp dao động của các thành phần âm (Có dạng tuần hoàn chứ khôngđiều hòa)

1.3.4 Các đặc trưng sinh lý của âm

a Độ cao của âm

Cảm giác về độ cao của âm là do tần số của âm quyết định Những dao động âm cótần số cao cho ta cảm giác thanh (trong) Những âm có tần số thấp cho ta cảm giác trầm(đục) Tai người chỉ nghe được những âm thanh có tần số từ 16 đến 20.000 Hz, nhưng giớihạn này cũng tuỳ theo lứa tuổi, người già chỉ nghe được những âm có tần số dưới 6.000

Hz Một số súc vật có khả năng nghe được những âm có tần số cao hơn hoặc thấp hơnphạm vi nghe của người về tần số Tuy nhiên người bình thường chỉ phân biệt được độ caocủa âm trong phạm vi (40 - 4.000) Hz, âm tần số cao hơn chỉ cho cảm giác rít, chính vì vậycác nhạc cụ thường được tạo ra để phát các âm thanh có tần số trong khoảng đó Để phânbiệt được độ cao của âm, thời gian âm tác động lên cơ quan thính giác ít nhất phải từ đến

s Chẳng hạn với âm có tần số 40 Hz, gây nên cảm giác ở tai ta Như thế âm này thực hiệnđược 40 × = 1 dao động toàn phần Nếu âm có tần số 6000 Hz thì trong thời gian ấy âm đãthực hiện 150 dao động toàn phần Từ kết quả này có thể suy ra: Ngưỡng của cảm giác độcao là một dao động toàn phần của âm Điều này cũng dễ dàng hiểu được một dao động màchưa thực hiện đầy đủ một dao động toàn phần thì không thể xác định chu kỳ hay tần sốcủa nó

Ngoài ra, người ta thấy độ cao phụ thuộc phần nào vào cường độ âm Trong mộtmức độ nhất định âm thấy như cao lên khi cường độ tăng và trầm xuống khi cường độgiảm Điều này có lẽ là kết quả của sự thay đổi đặc tính đàn hồi của màng nhĩ do cường độ

Hình 1.4.

Trên hình (1.4) trình bày một dạng âm phức tạp (a) và các thành phần phân tích của

nó (b), (c), (d) Âm có tần số nhỏ nhất gọi là âm cơ bản, các âm khác gọi là họa âm

Tai ta nhận được hai âm cùng độ cao của hai loại nhạc cụ khác nhau mà phân biệtđược là vì mỗi mỗi âm đó đã gây cho chúng ta cảm giác âm nhạc khác nhau Như vậy mỗi

âm có một bản sắc riêng biệt hay nói khác đi mỗi âm có một âm sắc riêng biệt Về phươngdiện vật lý hai âm phức tạp khác nhau mà có cùng tần số thì khác nhau bởi thành phần daođộng điều hoà hình sin đã tạo nên chúng; vì vậy âm sắc được đặc trưng bằng thành phầndao động điều hoà hình sin Nếu như thực hiện vẽ đồ thị các dao động âm, ta thấy ngay âmsắc còn đặc trưng bằng dạng đồ thị dao động, chẳng hạn trên hình (1.5) trình bày đồ thị daođộng của hai nốt nhạc cùng độ cao của đàn piano (a) và kèn clarinet (b)

Hình 1.5

Sự phân tích âm về độ cao và âm sắc, theo thuyết của Helmholtz, liên quan chặt chẽvới những đặc tính của những sợi đàn hồi của màng nhĩ (chiều dài, chiều dầy và mức độcăng) Khi tác dụng lên màng nhĩ, dao động âm cơ bản hay phức tạp gây nên ở màngnhững dao động cộng hưởng của những sợi xác định mà tần số riêng của chúng tương ứngvới tần số phổ điều hoà của dao động âm Khi ấy những xung động thần kinh xuất hiệntrong những tế bào sợi tương ứng sẽ đi vào phần trung ương của cơ quan phân tích âm và

do đó gây nên cảm giác về độ cao và âm sắc

Những nghiên cứu hiện đại khẳng định rằng những dao động âm khác nhau về tần

số được tiếp nhận bằng những phần khác nhau của màng nhĩ giống như thuyết củaHelmholtz Tuy nhiên điều này không phải chỉ coi như những dao động cộng hưởng củacác sợi dây của màng, mà là kết quả tác dụng đồng thời của nhiều dao động xuất hiện ởlimphô nội dịch và sự biến dạng đàn hồi những phần xác định của màng Hiện tượng nàyđược coi là khâu đầu tiên của quá trình sinh lý thụ cảm âm phức tạp

c Độ to

Độ to của âm là đặc trưng cảm giác về sự mạnh hay yếu của dao động âm được cảmnhận bởi tai ta Hiển nhiên rằng tại một tần số nhất định của dao động âm, âm có cường độcàng lớn sẽ gây nên cảm giác âm thanh “càng to” đối với tai và ngược lại Người ta thấyrằng một âm có cường độ I khi thay đổi một lượng ΔI đủ để con người nhận thức đượcrằng âm đó có thay đổi về độ to, cần phải có:

> 0,1 (1.14)

Những âm có tần số khác nhau tuy có cùng cường độ nhưng lại gây nên những cảm giác tonhỏ khác nhau, điều đó cho ta thấy độ nhạy cảm hay độ “thính” của tai phụ thuộc vào tần

số âm Từ đó người ta xây dựng nên khái niệm “độ to” (loudness) của âm Thực tế cho tabiết tai thính nhất đối với những âm có tần số trong khoảng từ 1000Hz đến 5000Hz Trong

âm ấy, các phân tử khí dao động với biên độ khoảng 10-5 μm và tạo nên áp suất ở màng nhĩvào khoảng 10-5 N/m2

Những âm có cường độ quá nhỏ thì tai không nhận thấy được Nếu ta tăng dầncường độ âm lên, đến một lúc mà bắt đầu từ đó trở đi tai bắt đầu đau chói; nếu tăng cường

độ âm lên cao hơn nữa có thể gây nên sự phá hoại cơ quan thính giác Nói khác đi, ở mỗitần số âm, tồn tại ngưỡng cảm nhận được và ngưỡng gây đau tai Ta có hai định nghĩa sau:

-Cường độ âm nhỏ nhất đủ gây nên cảm giác âm ở tai gọi là giới hạn nghe hayngưỡng nghe

-Cường độ âm lớn nhất mà nếu vượt quá cường độ đó sẽ gây nên cảm giác đau taigọi là ngưỡng chói

Đối với mỗi người thì ngưỡng nghe, ngưỡng chói có giá trị riêng, tuy nhiên nhìntổng quát thì gần nhau Đối với tất cả mọi người ngưỡng nghe và ngưỡng chói phụ thuộcvào tần số âm Đối với một người “trung bình” (theo thống kê) thì tại tần số 1000 Hz,ngưỡng nghe là 10-12 W/m2, ngưỡng chói là 1 W/m2

Đơn vị phon cho độ to của âm

Ta biết rằng khi cường độ âm thay đổi thì cảm giác về độ to cũng thay đổi theo.Định luật Weber - Fechner áp dụng cho quan hệ giữa cảm giác thay đổi độ to và cường độ

âm như sau:

Sự biến thiên độ to của âm tỷ lệ với logarit của tỷ số cường độ hai dao động âm đãgây ra cảm giác âm

Tại một tần số âm xác định, gọi L1, L2 tương ứng là độ to gây ra do âm có cường độ

I1, I2 (tính bằng W/m2) Theo định luật trên thì:

Trong đó hệ số tỷ lệ k phụ thuộc vào việc đặt đơn vị cho độ to và ngoài ra cần ghi nhớ rằng k biến thiên theo tần số âm Như ta đã biết độ to là một đại lượng hoàn toàn chủ

quan, do đó người ta qui ước

- Cường độ ngưỡng nghe tại tần số 1000 Hz; I0 =10-12 W/m2 (hay là 0 decibel) gây nên cảmgiác độ to là L0= 0 phon

cảm giác độ to là L = 120 phon (nghĩa là k = 10)

Qua thực nghiệm trên rất nhiều người, các nhà khoa học đã xây dựng được hệ các

đường cong biểu diễn sự phụ thuộc độ to của âm vào cường độ và vào tần số của âm Trênhình 1.6 biểu diễn hệ các đường cong độ to 0; 10; 20;… 120 phon đối với một người “trungbình” Trên đồ thị này, trục tọa độ có trục tung là cường độ âm đo bằng decibel, trên trụchoành ghi tần số âm đo bằng Hz nhưng đây là trục logarith của tần số âm (nhằm thu gọndải âm tần rất rộng)

Tất cả các điểm nằm trên mỗi đường cong tương ứng với các cường độ âm và tần số

âm khác nhau nhưng đều gây nên độ to như nhau đối với tai

L=120 phon là ngưỡng chói; giữa hai đường đó là miền nghe Một âm nào đó có các thông

số nằm dưới miền nghe sẽ không nghe thấy được Qua đồ thị ta có thể nhận thấy tai “thính”nhất đối với các tần số trong khoảng từ 1000 Hz đến 2500 Hz

Chú ý: Do cách ta qui ước đơn vị độ to nên tại tần số 1000 Hz, giá trị của cường độ

âm đo bằng decibel luôn luôn bằng giá trị độ to của âm đo bằng phon, tại các tần số kháchiển nhiên hai giá trị này không giống nhau Vì vậy ta cần tránh nhầm lẫn hai đại lượnghoàn toàn khác nhau này Để minh hoạ cho đồ thị hệ các đường cong này, ta xét ví dụ:điểm có toạ độ (76 db; 60 Hz) thuộc đường cong 60 phon, điều đó có nghĩa là âm có tần số

60 Hz và cường độ 76 decibel gây nên cảm giác độ to là 60 phon (cũng như âm có cường

độ 60 decibel và tần số 1000 Hz) Bảng 4.2 Độ to của một số âm điển hình

Loại âm thanh Cường độ âm (μW/cm 2 ) Độ to (phon)

Radio mở to trong phòng 10-2 80

Bài 2

CƠ HỌC CHẤT LƯU

2.1 ĐẶC ĐIỂM CỦA CHẤT LƯU

Chất lưu bao gồm các chất lỏng và các chất khí Về mặt cơ học, một chất lưu có thểquan niệm là một môi trường liên tục tạo thành bởi các chất điểm liên kết với nhau bằng

những nội lực tương tác (nói chung đó là lực hút) Các chất lưu có những tính chất tổng

Ngoài ra, theo trên lực nội ma sát chỉ xuất hiện trong chất lưu chuyển động

Vậy một chất lưu ở trạng thái nằm yên có gắn đầy đủ tính chất của một chất lưu lý tưởng.Trong chương này chủ yếu chúng ta nghiên cứu các định luật chuyển động của chất lỏng

2.2 TĨNH HỌC CHẤT LƯU

2.2.1 Áp suất

Xét trong lòng chất lỏng một khối chất lỏng nằm trong

mặt kín S, gọi dS là một diện tích vi phân bao quanh một điểm M

bất kỳ của S

Thực nghiệm chứng tỏ rằng phần chất lỏng ở ngoài

Trong trường hợp chất lỏng nằm yên, áp lực d vuông góc với dS

Ta có thể định nghĩa áp suất tại điểm M trong chất lỏng là:

P = (2.1) Thực nghiệm cũng chững tỏ rằng với một chất lỏng lý tưởng áp suất P tại điểm M làmột đại lượng xác định (chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm M, không phụ thuộc vào hướng củad) Biểu hiện cụ thể của áp suất là khi nhúng một tấm mỏng vào trong một chất lỏng thì trên

bề mặt của vật ấy xuất hiện các lực nén (áp lực) do chất lỏng tác dụng, có độ lớn như nhau

Giả sử có một khối chất lỏng không chịu nén và ở trạng

thái tĩnh (đứng yên) Hãy xét một điện tích S nằm ngang ở độ sâu

h trong chất lỏng (hình 2.3)

Nếu không kể đến áp lực của khí quyển trên mặt thoáng

thì lực tác dụng lên diện tích S bằng trọng lượng của cột chất

lỏng ngay phía trên S

F= P = m.g = V.D.g = S.h.D.g (2.2)

Hình 2.3

Trong đó: V = S.h (thể tích của cột chất lỏng) D: Khối

lượng riêng của chất lỏng g: Gia tốc trọng trường

Áp suất thuỷ tĩnh: Ptt = = D.g.h (2.3)

Nếu áp suất của khí quyển trên mặt thoáng chất lỏng là P0 thì áp suất toàn phần tác dụng lêndiện tích S ở độ sâu h là:

P = P0 + D.g.h (2.4)

Hình 2.8

Chú ý: Hai điểm trong chất lỏng trên cùng một mặt phẳng ngang (cùng độ sâu) thì áp suất

tương ứng như nhau

2.3 HIỆN TƯỢNG NHỚT ỨNG DỤNG

Khi chất lỏng chảy với vận tốc nhỏ, nó sẽ chảy thành

lớp Giả sử có một dòng chất lỏng chảy theo một hướng xác

định Ox

Mỗi lớp chất lỏng có tốc độ lần lượt là v1, v2, v3, ,vn

(các hạt chất lỏng trong cùng một lớp có vận tốc như nhau)

Do ma sát, các lớp tác dụng lên nhau Lớp có v lớn hơn

có xu hướng kép lớp có v nhỏ Ngược lại, lớp chuyển động chậm chậm

kìm hãm lớp chuyển động nhanh Xuất hiện lực ma sát nội (lực nhớt) Fms

Độ lớn của lực nội ma sát giữa hai lớp thứ j và j ở một nhiệt độ nhất định sẽ phải:

- Tỷ lệ thuận với dS là phần diện tích tiếp xúc giữa hai lớp i và j

- Tỷ lệ thuận với dv = vi - vj Trong đó vi, vj là vận tốc thứ i và j

- Tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa hai lớp (dz)

- Tuỳ thuộc vào bản chất của chất lỏng được đặc trưng bằng hằng số tỷ lệ

Gọi là hệ số nhớt của chất lỏng η (eta)

Theo Niutơn: Fms =

gọi là gradieng vận tốc Cho thấy mức độ thay đổi của vận tốc khi đi từ dz lớp nàyqua lớp khác

Nếu dS = 1 đơn vị diện tích và =1 Thì Fms = η

Ý nghĩa vật lý của η: hệ số nhớt của chất lỏng chính bằng lực ma sát nội xuất hiện

giữa hai lớp chất lỏng có diện tích là 1 đơn vị và gradiêng vận tốc của chúng bằng 1

Lúc đó hệ số nhớt η chỉ phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng và nhiệt độ của chất lỏng η

200C là một hằng số vật lý cùng với các hằng số vật lý khác dùng để định tính các chất

Chú ý: hệ số nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ là vì lực nội ma sát gây ra do các phân tử

chất lỏng chuyển động tương đối với nhau Khi nhiệt độ thay đổi thì trạng thái chuyểnđộng của các phân tử cũng thay đổi Hệ số nhớt được xác định bằng thực nghiệm, có ýnghĩa trong y học Chẳng hạn xác định hệ số nhớt của máu, huyết thanh cho ta biết tìnhtrạng bệnh lý của cơ thể

Đơn vị của η: N.s/m2 hay kg/m.s, gọi là poadơi

Hệ số nhớt của máu phụ thuộc vào cả huyết thanh và hồng cầu Theo Anhstanh, hệ

số nhớt của một dung dịch chứa những hạt rất nhỏ phụ thuộc vào hệ số η của riêng chấtlỏng và thể tích V của tất cả các hạt trong 1cm3 dung dịch

Như vậy lượng hồng cầu ảnh hưởng rất nhiều đến η của máu Người thiếu máu vàngười bình thường có hệ số η khác nhau

Ngoài ra hệ số η cũng cho ta biết tình trạng của cơ thể Bình thường η của huyết

albumin trong huyết thanh thay đổi

Bài 3

CÁC ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM VỀ CHẤT KHÍ3.1 THUYẾT ĐỘNG HỌC CHẤT KHÍ VÀ KHÍ LÝ TƯỞNG

Hiện tượng nhiệt là hiện tượng liên quan chặt chẽ đến chuyển động hỗn loạn của cácphân tử tạo nên vật chất Khi nghiên cứu vật chất được cấu tạo từ một số rất lớn các phân

tử ta không thể áp dụng phương pháp động lực học như trong phần cơ học được Vì vậy đểnghiên cứu các hiện tượng nhiệt người ta phải dùng một phương pháp khác Đó là phươngpháp vật lý thống kê Phương pháp này không xét chuyển động của từng phân tử riêng rẽ

mà xét chuyển động chung của cả tập hợp phân tử và do đó các đại lượng vật lý phải lấygiá trị trung bình đối với tất cả các phân tử

Trước tiên ta xét cấu tạo vật chất từ các phân tử, đó là thuyết động học phân tử

3.1.1 Nội dung thuyết động học phân tử

- Các chất có cấu tạo gián đoạn và gồm một số rất lớn các phân tử

vào nhau và truyền năng lượng cho nhau

phân tử càng mạnh thì nhiệt độ càng cao Nhiệt độ tuyệt đối tỷ lệ với động năngtrung bình của phân tử

3.1.3 Khí lý tưởng Các định luật thực nghiệm

Để biểu diễn trạng thái vật chất như ta đã biết cần ba thông số chính đó là áp suất,thể tích và nhiệt độ Các định luật thực nghiệm về chất khí nêu lên mối liên hệ giữa haithông số trong 3 thông số trên Cụ thể người ta xét các quá

trình biến đổi trạng thái của một khối lượng khí trong đó

một số thông số được giữ không đổi, cụ thể các quá trình:

- Đẳng nhịêt: nhiệt độ không đổi

Đẳng áp: áp suất không đổi

Bôilơ (1669) và Mariôt (1676) nghiên cứu quá trình đẳng nhiệt của chất khí, đã tìm

ra định luật sau đây:

Trong quá trình đẳng nhiệt của một khối khí, thể tích tỷ lệ nghịch với áp suất,

hay nói cách khác: tích số của thể tích và áp suất của khối khí là một hằng số

p.V = hằng số (3.2)

Nếu dùng hệ toạ độ OPV thì với một nhiệt độ không đổi, liên hệ giữa áp suất và thểtích của một khối lượng khí nhất định được biểu diễn bằng một hypebôn vuông (Hình 3.1).Đường hypebôn đó gọi là đường đẳng nhịêt Ứng với các nhiệt độ khác nhau ta đựơc cácđường khác nhau Nhiệt độ càng cao các đường đẳng nhiệt càng xa gốc

Hình 3.2 Hình 3.3

c Giới hạn ứng dụng của các định luật thực nghiệm

Các định luật Bôilơ- Mariôt, Gay - Luytxắc chỉ là các định luật gần đúng

Nếu áp suất chất khí quá lớn và nhiệt độ quá thấp tích số P.V và các hằng số hơikhác nhau chút ít, chúng thay đổi tuỳ theo chất khí và tuỳ theo nhiệt độ

Chúng ta gọi khí lý tưởng là chất khí hoàn toàn tuân theo ba định luật nói trên Haychất khí lý tưởng là chất khí có thể bỏ qua sự tương tác giữa các phân tử, nguyên tử

Nhiều chất khí ở áp suất và nhiệt độ trong phòng có thể coi là khí lý tưởng

3.2 PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG

3.2.1 Thành lập phương trình trạng thái

Xét một khối lượng khí M chuyển từ trạng thái I mà

qua các thông số là P1, V1,T1 sang trạng thái II có thông số

là P1, V2, T2 qua trạng thái trung gian có các thông số P2,

Vậy tỷ số: ở trạng thái đều bằng nhau và ta viết: = const = B (3.5)

Ta thấy trị số B phụ thuộc đơn vị đo P, V, T và phụ thuộc khối lượng khí M và bảnchất khí ta xét

Theo định luật Avôgađrô ở áp suất P0 = 1,013.105 N/m2 nhiệt độ T0 = 273,13 K thểtích của kilemol của mọi chất khí đều bằng Vο = 22,4 m3 Vậy công thức (*) viết cho 1kilômol thể tích V0 ta có:

P.V0 = R.T Trong đó R là hằng số khí đúng với mọi chất khí

Trong điều kiện cùng áp suất và nhiệt độ, thể tích chất khí tỷ lệ với khối lượng khí Do đónếu gọi V là thể tích ứng với khối lượng M Kg, V0 là thể tích ứng với khối lượng μKg = 1Kmol thì ta có:

Ta được dạng khác của phương trình trạng thái của khí lý tưởng:

3.2.2 Giá trị của hằng số R

Khi nhiệt độ và áp suất ở điều kiện T0 = 273,13 oK; P0 = 1,013.105 N/m2

Vậy ở trạng thái tiêu chuẩn này ta có:

Bài 4

CHẤT LỎNG

4.1 CẤU TẠO VÀ CHUYỂN ĐỘNG PHÂN TỬ CỦA CHẤT LỎNG

4.1.1 Trạng thái lỏng của các chất

Người ta thấy lúc nhịêt độ thấp hơn nhiệt độ tới hạn nào đó, nếu nén mạnh chất khí,

nó sẽ biến sang trạng thái lỏng Thực nghiệm chứng tỏ rằng nếu tiếp tục làm lạnh chất lỏng

sẽ đông đặc và chuyển sang thể rắn Vậy có thể nói trạng thái lỏng là trạng thái trung giangiữa trạng thái khí và rắn

Tuỳ theo nhiệt độ và áp suất, chất lỏng có tính chất gần chất khí và gần chất rắn Ởnhiệt độ gần nhiệt độ tới hạn không còn ranh giới giữa lỏng và khí nữa

Ở nhiệt độ gần nhiệt độ đông đặc, chất lỏng lại có nhiều tính chất tương tự chất rắn,lúc đó các phân tử lại không hoàn toàn chuyển động hỗn độn mà chúng sắp xếp tương đốitương tự, gần giống như các tinh thể chất rắn Tuy nhiên ở trạng thái bình thường, chấtlỏng có nhiều tính chất khác chất khí và chất rắn, ví dụ: tính chảy được, không có hìnhdạng xác định

Tính chất hai mặt của chất lỏng liên quan đến câu tạo và chuyển động phân tử của nó

4.1.2 Cấu tạo và chuyển động phân tử của chất lỏng

Ta biết rằng năng lượng chuyển động nhiệt của các phân tử chất lỏng vào cỡ độ sâucủa hố thế năng Như vậy năng lượng ứng với một bậc tự do kT sẽ bé hơn độ sâu của hố,

do đó các phân tử chất lỏng không dịch chuyển tự do mà chỉ thực hiện các dao động quanh

vị trí cân bằng Tuy nhiên giá trị k.T không nhỏ hơn độ sâu của hố thế năng nhiều quá, vìvậy do thăng giáng động năng phân tử đủ lớn và phân tử có thể vượt qua hố thế năng để dichuyển đến một vị trí cân bằng mới Người ta nói các phân tử chất lỏng sống đời “du mục”sau một thời gian “định cư ” phân tử lại “nhổ lều” đi

Thời gian dao động quanh vị trí cân bằng của chất lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ Khităng nhiệt độ thời gian đó giảm, ở nhiệt độ gần nhiệt độ đông đặc, thời gian đó rất lớn.Nghiên cứu về chuyển động phân tử trong chất lỏng, người ta dùng công thức:

4.2 NĂNG LƯỢNG MẶT NGOÀI VÀ SỨC CĂNG MẶT NGOÀI CỦA CHẤT LỎNG 4.2.1 Năng lượng mặt ngoài của chất lỏng

Lớp mặt ngoài của chất lỏng có những tính chất khác với phần bên trong của chấtlỏng Ta biết rằng các phân tử lớp ngoài bị các phân tử ở phía trong hút, vì vậy năng lượngcủa chúng ngoài động năng chuyển động nhiệt còn có thế năng quy định bởi các lực hút đó.Nếu nhiệt độ đồng đều, thì năng lượng trung bình chuyển động nhiệt của các phân tử mặtngoài và phía trong giống nhau, còn về thế năng thì khi đem phân tử từ các lớp trong ramặt ngoài, ta cần thực hiện một công chống lại lực hút phân tử công đó cũng làm tăng thếnăng phân tử Do đó các phân tử ở lớp mặt ngoài có thế năng lớn hơn so với thế năng củacác phân tử phía trong Như vậy các phân tử mặt ngoài có năng lượng tổng cộng lớn hơn so

với năng lượng của các phân tử phía trong Phần năng lượng lớn hơn đó đựơc gọi là năng

lượng mặt ngoài của chất lỏng

Số phân tử lớp mặt ngoài càng nhiều thì năng lượng mặt ngoài càng lớn , vì vậy nănglượng mặt ngoài tỷ lệ với diện tích mặt ngoài

Gọi ΔE và ΔS là năng lượng và diện tích mặt ngoài, ta có

δlà một hệ số tỷ lệ phụ thuộc chất lỏng gọi là hệ số sức căng mặt ngoài

Trong hệ SI đơn vị của δlà Jun trên met vuông (J/m2 = N/m)

Ta biết rằng một hệ ở trạng thái cân bằng bền lúc thế năng cực tiểu, vì vậy chất lỏng

ở trạng thái cân bằng bền lúc diện tích mặt ngoài của nó nhỏ nhất Thông thường do tácdụng của trọng lực nên chất lỏng choán phần dưới của bình chứa và mặt ngoài là mặtthoáng nằm ngang nhưng nếu ta khử tác dụng của trọng lực, thì khối chất lỏng sẽ có dạnghình cầu, tức là hình có diện tích mặt ngoài nhỏ nhất trong các hình có cùng thể tích

Thí nghiệm sau đây cho ta thấy điều đó Bỏ một ít giọt dầu vào trong dung dịchrượu cùng tỷ trọng (không hoà tan dầu ); trọng lượng của các giọt dầu triệt tiêu bởi sức đẩyAcsimet nên các giọt dầu có dạng những quả cầu lơ lửng trong dung dịch

4.2.2 Sức căng mặt ngoài

Các thí nghiệm trên đây chứng tỏ diện tích mặt ngoài của chất lỏng có khuynhhướng tự co lại, vì vậy một phương diện nào đấy, mặt ngoài chất lỏng giống như một

Δx màng cao su bị căng Để giữ nguyên tình trạng mặt ngoài của chất lỏng, ta phải tác

dụng lên chu vi mặt ngoài những lực vuông góc với đường chu vi và tiếp tuyến vớimặt ngoài, lực đó gọi là sức căng mặt ngoài

Hình 4.4

Để tính giá trị sức căng mặt ngoài người ta làm thí nghiệm sau:

Lấy một khung dây thép có cạnh MN chiều dài bằng 1, có thể linh động được (Hình4.4)

Nhúng khung vào nước xà phòng và lấy ra, ta đựơc màng xà phòng Để màng xà phòngkhỏi co lại, cần phải tác dụng lên MN một lực F đúng bằng sức căng mặt ngoài Dịchchuyển cạnh MN một đoạnΔx, diện tích mặt ngoài tăng lên một lượng là:

ΔS = 2.l Δx

Sở dĩ có thừa số 2 trong vế phải là vì màng xà phòng có hai mặt ngoài ở hai phía Công thực hiện bởi lực F trong dịch chuyển Δx là:

A = F Δx Công này dùng để làm tăng diện tích mặt ngoài lên ΔS, tức là đã làm tăng nănglượng mặt ngoài lên một lượng ΔE Theo (4.2) ta có:

ΔE = ΔA =δ.ΔS Từ đó ta suy ra:

F = δ.2.l (4.3)

(2l chính là chiều dài của đường kính chu vi )

Trường hợp tổng quát, sức căng có thể thay đổi được dọc theo đường chu vi, lúc đó xét mộtđoạn Δl đủ nhỏ của chu vi, ta áp dụng công thức trên:

ΔF = δ.Δl (4.4)

Trong đó ΔF là sức căng tác dụng lên đoạn Δl

Từ (4.4) ta thấy nếu Δl bằng một đơn vị chiều dài thì δ=ΔF Vì vậy có thể định nghĩa

δ như sau: Hệ số sức căng mặt ngoài là một đại lượng vật lý về trị số bằng sức căng mặt

ngoài tác dụng lên một đơn vị chu vi mặt ngoài

Trong hệ SI, δđo bằng đơn vị Niutơn/met Với một chất lỏng cho trước, δphụ thuộcnhiệt độ, khi nhiệt độ tăng thì δ giảm

Bảng sau có giá trị sức căng mặt ngoài của một số chất lỏng ở 200C

- Giải thích sự tạo thành lớp bọt trong chất lỏng: Giả sử có một bọt không khí ở trong

chất lỏng, nó sẽ nổi lên mặt Tới mặt chất lỏng, bọt khí sẽ đội một lớp mỏng chất lỏng códạng hình vòm Nếu bọt không khí đủ nhỏ thì nó không thể xé rách lớp mặt ngoài và chịu ởdưới mặt chất lỏng Những bọt nhỏ như vậy tạo thành lớp bọt

- Sự tạo thành giọt khi chất lỏng chảy qua một lỗ nhỏ: Khi chất lỏng chảy ra khỏi một

ống thẳng đứng thì do sức căng mặt ngoài, chất lỏng không thể ngay một lúc chảy ra khỏiống Chất lỏng chảy ra từ từ và phía trên giọt chất lỏng bị thắt lại Lúc trọng lượng giọtchất lỏng thắng sức căng mặt ngoài thì chỗ thắt bị đứt và tạo thành một giọt nước rơixuống Nếu lỗ rát nhỏ và áp suất chất lỏng không đủ lớn, giọt chất lỏng sẽ không chảy rangoài được Thí dụ nước mưa không chảy qua được các lỗ nhỏ của vải bạt Chính điều đótrong Y học người ta có thể lấy giọt thuốc làm đơn vị liều

4.3 HIỆN TƯỢNG MAO DẪN

4.3.1 Áp suất phụ dưới mặt khum

Như ta đã biết mặt thoáng chất lỏng do tồn tại sức

căng mặt ngoài nên có thể coi như một màng đàn hồi, do

đó nó có dạng lồi lên hoặc lõm xuống Bề mặt cong có

xu hướng có diện tích tạo ra một áp suất ΔP phụ thêm

vào áp suất phân tử

Trường hợp bề mặt chất lỏng là mặt thoáng lồi

(chất lỏng không làm ướt chất rắn), diện tích

thoáng xung quanh kéo ra, tiếp tuyến mặt, có thể phân tích thành lực nằm ngang và lực

hướng xuống dưới Kết quả chung là mặt thoáng lồi chịu tác dụng một áp suất phụ ΔP

hướng xuống phía dưới

Trường hợp mặt thoáng lõm, diện tích này chịu tác dụng của các lực do các phầnmặt thoáng xung quanh kéo ra (tiếp tuyến mặt) có thể phân tích thành lực nằm ngang vàlực hướng lên trên Kết quả chung là mặt thoáng lõm chịu tác dụng một áp suất phụ hướnglên trên

Áp suất phụ ΔP này được tính theo công thức:

Trong đó R là bán kính của mặt cong, δ là hệ số sức căng mặt ngoài, Công thức cóthể chứng minh như sau:

Xét một mặt cong dạng chỏm cầu, đặc trưng bằng bán kính cong R và khẩu

kính r (Hình 4.9) Xét một phân tử Δl trên chu vi C, nó chịu tác dụng của một lực căng ,

vuông góc với Δl và tiếp tuyến với mặt cong

Từ công thức: =δ.Δl Phân tích thành hai lực thành phần: thành phần

nằm ngang và thành phần thẳng đứng 1

Từ hình vẽ:

ΔF1 =ΔF sinβ và ΔF2 =ΔF.cosβ Thành phần 1 gây ra áp suất phụ Tính sức căng lên chất lỏng bằng tổng

(4.7) Hai công thức (4.6) và (4.7) có thể viết chung:

Với qui ước: R > 0 nếu bán kính mặt cầu hướng về phía chất lỏng

R<0 nếu bán kính mặt cầu hướng ra khỏi chất lỏng

Trường hợp mặt thoáng là mặt phẳng (R = ∞) áp suất phụ ΔP =0

Ý nghĩa của áp suất phụ trong sự chảy của chất lỏng trong ống dẫn hình trụ là ở chỗ: trong một ống dẫn chất lỏng thực mà có bọt khí, áp suất phụ có thể làm cho chất lỏng

không chảy được Hiện tượng bọt khí cản chuyển động này được gọi là chuỗi hạt mao quản

Thật vậy, xét một ống dẫn có bọt khí bên trong ta thấy:

ống trụ đều thì ΔP1=ΔP2 nhưng ngược chiều nhau (Hình 4.10a)

- Nếu chất lỏng chuyển động (từ trái sang phải chẳng hạn) mặt 1 bị bẹt ra,

2δ bán kính cong lớn lên, do đó: ΔP1 = sẽ bé, mặt 2 lõm vào, bán kính cong R2 bé đi, do đó

ΔP2 = sẽ lớn lên ΔP2 có giá trị lớn hơn ΔP1 sẽ cản chuyển động của chất lỏng (Hình 4.10b).Tác dụng cản chuyển động càng tăng khi có một chuỗi bọt (Hình 4.10c) gọi là chuỗi hạt maoquản hoặc khi có bọt chỗ phân nhánh

Từ đó ta thấy khi có bọt khí lọt vào mạch máu có thể làm ngưng sự tuần hoàn Do

đó cần chú ý đẩy hết bọt khí trước khí tiêm thuốc vào tĩnh mạch Thợ lặn trước khi lên khỏimặt nước phải cho áp lực khí trong bộ đồ lặn giảm từ từ nếu không thì khí nitơ tan trongmáu thoát ra nhanh làm phổi không kịp bài tiết sẽ tạo thành chuỗi hạt mao quản ngăn cản

sự tuần hoàn Những phi công lái máy bay ở tầng cao của khí quyển nếu buồng lái khôngkín cũng có thể gặp tại nạn tương tự như thợ lặn

Hình 4.10 Ảnh hưởng của bọt khí Hình 4.11

4.3.2 Hiện tượng mao dẫn

Nhúng một ống thuỷ tinh có tiết diện nhỏ vào một

cốc đựng chất lỏng thì nhận thấy mặt chất lỏng trong ống

thuỷ tinh có thể lõm hoặc lồi, dâng cao hơn hay hạ thấp hơn so với mực ngoài, đó là hiệntượng mao dẫn

bề mặt chất lỏng trong ống bị cong sẽ chịu thêm một áp suất phụ hướng lên trên (mặt lõmxuống) hoặc hướng xuống dưới (mặt lồi lên) làm giảm áp suất khí quyển (hoặc tăng) trênmặt ống Do đó chất lỏng phải dâng lên để cho áp suất tại hai điểm có cùng độ cao phảibằng nhau

Ta tính độ cao dâng lên hay hạ xuống trong ống Giả sử chất lỏng làm ướt chất rắn (nước và thuỷ tinh), tiết diện cong của mặt thoáng là một chỏm cầu bán kính R

Gọi h cột chiều cao của chất lỏng trong ống mao dẫn, θ là góc bờ

Ở trạng thái cân bằng áp suất giữa hai điểm A và B có cùng độ cao phải bằng nhau:

+ Khi 0 <θ< : chất lỏng làm ướt chất rắn thì cosθ> 0 và chất lỏng dâng lên trong ống(h > 0)

+ Khi : chất lỏng không làm ướt chất rắn thì cosθ < 0 và chất lỏng

hạ xuống (h < 0)

Từ đó ta nhận thấy có thể xác định hệ số sức căng mặt ngoài bằng cách đo chiều cao

h và bán kính r của ống mao quản

công thức Guirin trở thành:

Nhiều hiện tượng trong đời sống kỹ thuật và tự nhiên được giải thích bằng hiệntượng mao dẫn: bông, bấc đèn, giấy thấm có khả năng hút các chất lỏng vì khe hẹp trongcác chất này là các ống mao dẫn Các chất dinh dưỡng nước được chuyển từ dưới lên trên ởnhững cây cao vài mét, còn những cây cao hàng chục mét ngoài hiện tượng mao dẫn đểdẫn nước và các chất dinh dưỡng nuôi cây còn có hiện tượng thẩm thấu của các tế bào sốngnữa vì sức mao dẫn chỉ đưa nhựa và các chất khác lên cao được vài met

4.4 HIỆN TƯỢNG SÔI, HIỆN TƯỢNG BAY HƠI

4.4.1 Hiện tượng bay hơi

Chất lỏng đựng trong bình không kín thường có sự bay hơi Đó là hiện tượng chấtlỏng biến thành chất hơi

Sự bay hơi xảy ra trong mọi nhiệt độ, nhưng nhiệt độ càng cao thì sự bay hơi xảy racàng mạnh

Điều kiện để có sự bay hơi: muốn bay hơi ra khỏi mặt thoáng các phân tử chất lỏngcần một động năng nào đó để thắng lực hút trong chất lỏng, lực đó gây ra bởi các phân tửchất lỏng dưới mặt thoáng

Gọi A là công giữ các phân tử khỏi bay hơi thì các phân tử phải có động năng thoảmãn các điều kiện sau đây:

Trong đó: m là khối lượng phân tử

Vn là thành phần vận tốc theo phương pháp tuyến với mặt thoáng

Nhiệt độ của khối chất lỏng càng cao, số phân tử có vận tốc lớn càng nhiều, số phân

tử thoả mãn điều kiện bay hơi tăng lên do đó hiện tượng bay hơi xảy ra mạnh hơn

4.4.2 Hiện tượng sôi

a Định nghĩa

Hiện tượng sôi là hiện tượng bay hơi không những ở trên bề mặt

mà ngay cả ở trong khối chất lỏng

b Giải thích

Khi ta đun chất lỏng các bọt hơi xuất hiện ở đáy nồi đun và xung

quanh thành nồi Bọt hơi ở trong lòng chất lỏng chịu tác dụng của các

áp suất

- Áp suất trên bề mặt: P0

- Áp suất thuỷ tĩnh: Ptt

- Áp suất hơi bão hoà

Trong đó áp suất hơi bão hào trong bọt khí chống lại áp suất nén, áp suất thuỷ tĩnh và

áp suất phụ Điều kiện sôi:

Pbh = P0 + Ptt + ΔP

Thông thường áp suất thuỷ tĩnh rất nhỏ so với áp suất nén P0 coi Ptt ≈ 0

Áp suất phụ ΔP= , khi nhiệt độ càng tăng bọt hơi càng lớn dần, vậy bán kính R

càng tăng, do đó ΔP càng giảm, thông thường ΔP<<P0 có thể bỏ qua được Vậy điều kiệnsôi: Pbh ≥ P0

Nhiệt độ khối chất lỏng ứng với điều kiện sôi gọi là nhiệt độ sôi hay điểm sôi

Đối với mỗi chất lỏng ở điều kiện bình thường điểm sôi là một hằng số Do đó nhờ vào tínhchất này, ta có thể các định định tính các chất

h

- - - -

-Bài 5

TĨNH ĐIỆN 5.1 KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU

5.1.1 Sự nhiễm điện do cọ sát

Từ thế kỷ VI trước công nguyên người ta đã nhận thấy khi đem cọ sát thuỷ tinh, êbônit

và một số vật khác vào len dạ, thì thuỷ tinh, êbônit có khả năng hút các vật nhẹ như giấyvụn, lông chim Hiện tượng đó gọi là hiện tượng nhiễm điện do cọ sát Thuỷ tinh, êbônit được gọi là vật nhiễm điện

Qua sự nhiễm điện do cọ sát người ta thấy chỉ xuất hiện 2 loại điện tích:

- Loại điện tích xuất hiện giống như ở thuỷ tinh khi cọ sát vào len dạ gọi là điện tíchdương (+)

- Loại điện tích xuất hiện như ở thanh êbônit khi cọ sát vào len dạ gọi là điện tích âm (-) Qua thực nghiệm còn thấy các loại điện tích tương tác với nhau: hai điện tích cùng dấuthì đẩy nhau, khác dấu thì hút nhau

5.1.2 Sơ lược về thuyết điện tử

Qua nhiều thí nghiệm các nhà bác học đã đi đến kết luận:

- Điện tích trên một vật mang điện bất kỳ có cấu tạo gián đoạn, nó luôn luôn bằng một

số nguyên lần của một điện lượng nhỏ nhất gọi là điện tích nguyên tố: điện tích nguyên tố cógiá trị q0 = 1,6.10-19 C Các hạt mang điện tích nguyên tố có electron mang điện tích nguyên

tố âm, proton mang điện tích nguyên tố dương

- Proton và điện tử (electron) đều có trong thành phần cấu tạo nguyên tử của mọi chất.Proton nằm ở hạt nhân nguyên tử, điện tử chuyển động xung quanh hạt nhân

- Ở trạng thái bình thường số proton và điện tử của một nguyên tử luôn luôn bằng nhau(bằng số thứ tự Z của nguyên tố trong bảng tuần hoàn Mendeleep), ta nói nguyên tử trunghoà về điện Nếu vì lý do nào đó nguyên tử mất, thu thêm điện tử sẽ trở thành một phần tửmang điện Nếu mất điện tử nguyên tử sẽ mang điện dương gọi là ion (+), nếu thu thêm điện

tử nguyên tử trở thành mang điện âm gọi là ion (-)

Học thuyết căn cứ vào chuyển động của điện tử để giải thích các hiện tượng về điện gọi

là thuyết điện tử

5.1.3 Định luật bảo toàn điện tích

Các hiện tượng về điện luôn luôn tuân theo định luật bảo toàn điện tích: Các điện tích

không thể tự nhiên sinh ra, cũng không tự biến mất nó chỉ có thể truyền từ vật này sang vật khác hoặc phần này sang phần khác của vật

Nói một cách khác: Tổng đại số các điện tích trong một hệ cô lập là không đổi

Thí dụ: Khi cọ sát thuỷ tinh vào len dạ nếu thuỷ tinh mang điện dương thì điện tử từthuỷ tinh đã mất đi, có nghĩa là nó phải chuyển sang len dạ, do đó len dạ phải mang điện âm.

Độ lớn điện tích trên hai vật luôn luôn bằng nhau nếu trước đó hai vật đều chưa mang điện

5.1.4 Vật dẫn điện, vật cách điện

a Vật dẫn điện

Là những vật mà điện tích có thể chuyển động tự do trong toàn bộ thể tích của vật Thí

dụ như kim loại, các dung dịch điện phân, chất khí đã bị ion hoá, các cơ thể sống

b Vật cách điện (điện môi)

Là các vật mà điện tích không thể chuyển động từ điểm này đến điểm kia của vật (không

có điện tích tự do) Thí dụ: Thuỷ tinh, êbônit, cao su, gỗ, không khí khô

Chú ý: Sự phân chia ra vật dẫn điện và cách điện chỉ có tính chất quy ước

Thực vậy trong những điều kiện nhất định vật nào cũng có thể dẫn điện được, chúng chỉkhác nhau là độ dẫn điện nhiều hay ít Khi thay đổi điều kiện thì tính dẫn điện thay đổi Thídụ: thủy tinh ở điều kiện bình thường dẫn điện rất yếu (không dẫn điện) nhưng ở nhiệt độcao có thể dẫn điện

Ngoài ra có một nhóm chất có tính chất dẫn điện trung gian giữa vật dẫn điện và điệnmôi Đó là các chất bán dẫn

Trong chương này chỉ nghiên cứu tương tác và tính chất của các điện tích đứng yên (sovới hệ quy chiếu dùng để nghiên cứu điện tích đó)

5.2 ĐỊNH LUẬT CULÔNG (COULOMB)

Như ta đã biết các điện tích tương tác với nhau: cùng dấu thì đẩy nhau, khác dấu thì hútnhau Tương tác giữa hai điện tích đứng yên gọi là tương tác tĩnh điện (hay là tương tácCulông)

1875 Culông, nhà bác học người Pháp bằng thực nghiệm đã xác định được lực tương tácgiữa hai điện tích điểm

5.2.1 Điện tích điểm

Là những vật mang điện có kích thước nhỏ không đáng kể so với khoảng cách từ điểm

đó đến những điểm hoặc những vật mang điện khác mà ta đang khảo sát Như vậy khái niệmđiện tích điểm chỉ có tính chất tương đối, tương tự như khái niệm chất điểm trong cơ học

5.2.2 Định luật Culông trong chân không

Giả sử có hai điện tích điểm q1, q2 đặt trong chân

không cách nhau một khoảng r Định luật Culông phát

biểu như sau: Lực tương tác giữa hai điện tích điểm có

phương nằm trên đường thẳng nối hai điện tích, có

chiều: 2 điện tích cùng dấu thì đẩy nhau, 2 Hình 5.1

điện tích khác dấu hút nhau (Hình 5.1) Có độ lớn tỷ lệ thuận với tích số độ lớn của hai điện tích, tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa hai điện tích đó

5.2.3 Định luật Culông trong các môi trường

Thực nghiệm cũng chứng tỏ nếu hai điện tích điểm đặt trong chất điện môi có cùngkhoảng cách như khi chúng đặt trong chân không thì lực tương tác sẽ giảm đi ε lần

Công thức (5.1) sẽ là:

(5.4)Trong đó ε được gọi là hằng số điện môi phụ thuộc vào bản chất của điện môi, nhiệt độ Thí dụ: Trong chân không ε = 1

Không khí: ε = 1,006 ≈1 Nước ε = 81

Chú ý: Định luật Culông mới chỉ cho ta xét tương tác giữa hai điện tích điểm Tuy nhiên

nếu áp dụng nguyên lý tổng hợp lực trong cơ học ta có thể xét tương tác giữa hai vật mangđiện bất kỳ Thật vậy:

- Nếu hệ gồm nhiều điện tích điểm q1, q2, qn phân bố gián đoạn trong không gian vàmột điện tích q0 đặt trong không gian đó Ta xét tương tác từng hệ 2

trường Dòng các hạt điện tích chuyển động có hướng dưới tác dụng của điện trường gọi

là dòng điện

Theo quy ước chiều của dòng điện là chiều chuyển dời của các hạt điện tích dương hay

là ngược chiều với chiều chuyển động của các hạt điện tích âm

6.1.2 Bản chất dòng điện trong các môi trường

Bản chất dòng điện trong các môi trường khác nhau cũng khác nhau (Hình 6.1)

Thực vậy như ta đã biết trong kim loại các nguyên tử liên kết chặt chẽ với nhau tạothành mạng tinh thể kim loại Các ion dương chỉ dao động xung quanh nút mạng, dòng cácđiện tử tự do (electron tự do) chuyển động hỗn loạn trong không gian giữa các nút mạng.Dưới tác dụng của điện trường chính các điện tử tự do này

chuyển động tạo ra dòng điện (Hình 6.1.a)

Hình 6.1

Trái lại trong chất điện phân khi chưa có điện trường ngoài các phân tử chất điện phân

do tương tác với nhau đã tự phân ly thành ion dương, ion âm Dưới tác dụng của điện trườngcác ion này chuyển động tạo ra dòng điện (Hình 6.1.b) Khối lượng m của chất được giảiphóng ra ở điện cực bình điện phân được tính theo công thức:

Trong đó F là một hằng số gọi là số Farađây: F = 96500C/mol, A là khối lượng molnguyên tử của chất thu được ở điện cực

Đối với chất khí ở trạng thái bình thường các phân tử khí hầu như đều ở trạng thái trunghoà về điện Tuy nhiên khi có kích thích bên ngoài các phân tử khí có thể giải phóng điện tửthành ion dương Các điện tử được giải phóng một số ở trạng thái tự do, một số kết hợp vớinguyên tử trung hoà khác thành ion âm Khi có điện trường ngoài cả ion dương, ion âm, điện

tử đều chuyển động tạo ra dòng điện (Hình 6.1.c)

Chân không vốn không có hạt mang điện Nó chỉ dẫn được điện khi đưa electron vào.Dòng điện trong chân không là dòng chuyển dời có hướng của các electron bứt ra từ catốt bịnung nóng do tác dụng của điện trường Đặc điểm của dòng điện trong chân không là nó chỉchạy theo một chiều nhất định từ anôt sang catôt

Dòng điện trong bán dẫn là dòng dịch chuyển có hướng của các electron tự do và lỗtrống dưới tác dụng của điện trường Tuỳ theo tạp chất pha vào bán dẫn tinh khiết mà bándẫn thuộc một trong hai loại là bán dẫn loại n và bán dẫn loại p Dòng điện trong bán dẫnloại n chủ yếu là dòng electron, còn trong bán dẫn loại p chủ yếu là dòng các lỗ trống

6.1.3 Tác dụng của dòng điện

Tuy có bản chất khác nhau nhưng dòng điện bao giờ cũng có tác dụng đặc trưng giốngnhau như tác dụng nhiệt, tác dụng từ, tác dụng sinh lý, tác dụng cơ học, Các tác dụng nàyđược ứng dụng nhiều trong y học

6.2 NHỮNG ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA DÒNG

ĐIỆN

6.2.1 Cường độ dòng điện

Xét một điện tích S bất kỳ nằm trong môi trường có dòng điện

chạy qua (Hình 6.2)

Cường độ dòng điện qua diện tích S là đại lượng có trị số bằng

điện lượng chuyển qua diện tích ấy trong một đơn vị thời gian

Micro Ampe: 1μA = 10-6A

6.2.2 Véctơ mật độ dòng điện

Cường độ dòng điện chỉ đặc trưng cho độ mạnh yếu của dòng điện qua một diện tíchnào đó, chưa đặc trưng cho độ mạnh yếu của dòng điện tại từng điểm trong môi trường,ngoài ra cường độ dòng điện còn chưa cho ta biết phương, chiều các dòng điện Vì vậy,ngoài cường độ dòng điện người ta còn dùng một đại lượng vật lý khác để đặc trưng chodòng điện đó là vectơ mật độ dòng điện

a Định nghĩa

Véctơ mật độ dòng điện j tại một điểm M trong môi

trường có dòng điện là một vectơ có gốc tại M, có phương

chiều là phương chiều của điện tích dương chuyển động qua

điểm đó, có độ lớn bằng cường độ dòng điện qua một đơn

Để tính cường qua điện tích S bất kỳ ta phải chia diện tích S đó

thành những phần tử dS Sao cho trên dS, j không đổi Gọi dSn là hình

chiếu dS trên phương vuông góc với ; thì rõ ràng cường độ dòng điện

qua dSn cũng bằng cường độ qua dS

dI=j.dSn = j.dS.cosα Vì: j.cosα = jn

jn là hình chiếu của trên pháp tuyến của dS Nên dựng là một vectơ

có phương pháp tuyến , có độ lớn bằng giá trị của dS Theo toán học ta có:

dI=

Trong hệ SI đơn vị của là: A/m