Nguồn:https://www.google.com.v n/search?tbm=isch&q=nhà%20b ác%20học%20thaflet%20 Hình 2.4. Wiliam Gibert Nguồn:https://www.google.com.vn/se arch?tbm=isch&q=Wiliam%20Gibert %20
Otto Von Guericke
(1602-1688), nhà khoa học, nhà phát minh, chính trị gia người Đức đã thiết kế một hệ thống tạo ra điện tích lớn bằng cách cho quả cầu lưu huỳnh quay tròn cọ xát với
tấm da. Ơng tiến hành thí nghiệm cho các vật khác chạm vào quả cầu thì thấy chúng cũng có thể hút được các vật nhẹ. Thí nghiệm này chứng tỏ điện tích có thể di chuyển từ vật này đến vật khác. Dụng cụ mà ông phát minh ra được gọi là tĩnh điện kế.
Trong các thí nghiệm tiếp theo về điện, Stephen Gray
(1666-1736), nhà hóa học, nhà thiên văn học người Anh đã đóng góp thêm cho nhân loại những hiểu biết về chất dẫn điện, chất cách điện, phương thức truyền điện tích đi xa. Ơng kết
luận kim loại là chất dẫn điện tốt nhất, dịng dịch chuyển của điện tích được gọi là dịng điện. Ơng ví dịng điện giống như dịng nước, chảy trong dây dẫn.
Trong q trình làm thí nghiệm các nhà vật lý nhận thấy rằng khơng khí ẩm làm giảm điện tích của máy tĩnh điện, cùng với phát hiện của Stephen Gray về chất dẫn điện và chất cách điện, Pieter Van Musschenbroek (1692-1761),
giáo sư Vật lý trường Đại học Layde, Hà Lan giải thích hiện tượng mất điện tích là do điện tích đã truyền vào khơng khí. Để lưu trữ và tránh điện tích bị truyền ra ngồi Musschenbroek đã dùng một bình thủy tinh chứa nước nối với máy tĩnh
Hình 2.5. Otto Von Guericke
Nguồn:https://www.google.com.vn/search?q=Ott
o+Von+Guericke+&tbm=isch&ved=2ahUKEwj iqKW2o53mAhVH6ZQKHdb0A6UQ2
Hình 2.6. thí nghiệm sự truyền điện
Nguồn:https://www.google.com.vn/search?q=S
tephen+Gray+&tbm=isch&ved=2ahUKEwiE7 Zq8o53mAhUIXJQKHftEAkEQ2
điện bằng một sợi dây kim loại. Khi quả cầu của máy tĩnh điện được tích điện, điện tích sẽ theo sợi dây kim loại truyền vào bình nước và tích trữ ở đó. Bình thủy
tinh sau này được cải tiến thành dụng cụ tích điện và được gọi là chai Layden. Chai Layden được bọc bên ngồi bởi kẽm và được tích điện trở lại sau khi dùng hết, nó chính là tụ điện (tích trữ điện) sơ khai đầu tiên. Musschenbroek cũng phát hiện ra khi ông đồng thời chạm tay vào
bình thủy tinh và dây kim loại thì bị giật, đó là một trong các tính chất của dòng điện.
Nhằm nâng cao khả năng tích điện và tạo ra dịng điện ổn định hơn,
Alesssandro Volta (1745 -1827) nhà Vật
lý người Ý đã chế tạo thành công dụng cụ mới gồm các tấm đồng, kẽm dạng hình trịn xếp chồng lên nhau liên tiếp, ngăn cách nhau bởi lớp giấy xốp tẩm dung dịch
axit H2SO4. Sau này người ta gọi nó là pin Volta (từ pin bắt nguồn từ từ “pile” có nghĩa các tấm xếp chồng lên nhau)
Việc chế tạo ra pin Volta có ý nghĩa quan trọng trong lịch sử phát triển Vật lý điện từ. Nó giúp việc lưu trữ điện lâu dài và tạo ra dòng điện tương đối ổn
Hình 2.7. Thí nghiệm tích điện, chai Leyden
Nguồn:https://www.google.com.vn/search?q=Steph en+Gray+&tbm=isch&ved=2ahUKEwiE7Zq8o53 mAhUIXJQKHftEAkEQ2 Hình 2.8. Alesssandro Volta Nguồn:https://www.google.com.vn/ search?q=Stephen+Gray+&tbm=i sch&ved=2ahUKEwiE7Zq8o53mA hUIXJQKHftEAkEQ2
định, góp phần quan trọng trong các thí nghiệm vật lý điện từ. Vơn được dùng để đặt tên cho đơn vị đo khả năng tích trữ của nguồn điện (suất điện động)
Như vậy sau một khoảng thời gian khá dài, từ những phát hiện về những hiện tượng trong tự nhiên, với sự say mê và trí tuệ của mình các nhà khoa học đã giúp con người có sự hiểu biết đầy đủ hơn về lĩnh vực điện học, từ đó tạo ra nhiều ứng dụng phục vụ cuộc sống của con người và giúp Vật lý không ngừng được phát triển.
II. NỘI DUNG KIẾN THỨC CHƢƠNG ĐIỆN TÍCH. ĐIỆN TRƢỜNG Bài học số 1. Sự nhiễm điện của các vật. Thuyết electron.
Định luật Coulomb về tƣơng tác giữa các điện tích.
1.1. Sự nhiễm điện của các vật
Video về sự nhiễm điện của vật do cọ sát
- Trong tự nhiên có hai loại điện tích là điện tích âm (-) và điện tích dương (+). - Người ta qui ước, điện tích của thanh thủy tinh khi cọ xát vào lụa là điện tích dương (+); điện tích của thanh nhựa sẫm màu cọ xát vào vải khơ là điện tích (-) - Có ba cách làm nhiễm điện cho các vật: Cọ xát, tiếp xúc, hưởng ứng.
- Các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau, trái dấu thì hút nhau
Hiện tượng nhiễm điện được giải thích như thế nào?
1.2. Thuyết electron.
Kiến thức đã học ở mơn Hóa cho biết ngun tử được cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích dương và các electron mang điện tích âm chuyển động quay quanh hạt nhân tạo thành lớp vỏ.
Số electron ở lớp vỏ bằng số proton ở hạt nhân mà điện tích của mỗi electron bằng âm một đơn vị điện tích nguyên tố (1-), điện tích của mỗi proton bằng dương một đơn vị điện tích ngun tố (1+), nơtron khơng mang điện nên bình thường mỗi ngun tử có tổng đại số điện tích bằng khơng điện tích dương nhưng tổng số điện tích âm bằng tổng số điện tích dương
Tuy nhiên trong mỗi nguyên tử các electron có khối lượng rất nhỏ, các electron càng ở lớp ngoài của nguyên tử thì càng liên kết yếu với hạt nhân nên có thể tách ra khỏi nguyên tử trở thành electron tự do trong khối vật hoặc di chuyển sang vật khác làm tổng điện tích của vật khác khơng, khi ấy vật bị nhiễm điện và có thể tương tác với các vật nhiễm điện khác. Học thuyết dựa vào sự di chuyển hoặc trú ngụ của các electron để giải thích tính chất điện của các vật được gọi là thuyết electron.
Nội dung thuyết electron
- Bình thường ngun tử trung hịa về điện. Nếu nguyên tử mất electron (so với bình thường) thì nguyên tử trở thành ion dương, nếu nguyên tử nhận thêm electron thì nguyên tử trở thành ion âm.
- Nếu vật thừa electron thì vật nhiễm điện âm (mang điện tích âm), vật thiếu electron thì vật nhiễm điện dương (mang điện tích dương)
Cần lưu ý rằng phần điện tích dương (hoặc âm) dư ra bao giờ cũng rất nhỏ so với lượng điện tích tồn phần của điện tích dương hoặc âm.
Nguồn:
Hình 2.9. Sơ đồ cấu tạo nguyên tử Hình 2.10.Mơ hình cấu tạo nguyên tử
1.3. Giải thích ba hiện tƣợng nhiễm điện
- Nhiễm điện do cọ xát: khi chà xát hai vật lên nhau, xuất hiện các điểm tiếp xúc chặt chẽ giữa hai vật, tùy theo bản
chất của hai vật mà số electron đi qua điểm tiếp xúc chặt chẽ từ vật này sang vật kia sẽ nhiều hơn theo chiều ngược lại. Kết quả một vật sẽ thừa electron nên nhiễm điện âm, vật còn lại thiếu electron nên nhiễm điện dương. Điện tích trên hai vật nhiễm điện do cọ xát bao giờ cũng trái dấu
- Nhiễm điện do tiếp xúc: Nếu một vật kim loại đang trung hòa về điện tiếp xúc với vật kim loại nhiễm điện dương (hoặc nhiễm điện âm) thì electron tự do ở vật trung hịa sẽ di chuyển qua điểm
tiếp xúc sang vật nhiễm điện dương (hoặc electron dư thừa từ vật nhiễm điện âm di chuyển sang vật trung hòa) làm vật trung hòa bị nhiễm điện cùng dấu với điện tích của vật nhiễm điện mà nó tiếp xúc.
Nếu các vật (kim loại) bị nhiễm điện cùng loại tiếp xúc nhau thì electron sẽ di chuyển từ vật có mật độ electron cao hơn sang vật có mật độ electron thấp hơn.
- Nhiễm điện do hưởng ứng: Khi một vật kim loại trung hịa về điện
Hình 2.11. Nhiễm điện do cọ xát
Hình 2.12. Nhiễm điện do tiếp xúc
đặt gần một vật nhiễm điện (khơng tiếp xúc) thì một số electron trên vật trung hịa sẽ vị hút lại gần phía vật nhiễm điện dương hoặc bị đẩy ra xa vật nhiễm điện âm. Trên vật trung hòa xảy ra sự phân bố lại electron khiến cho một đầu vật bị nhiễm điện dương, một đầu vật bị nhiễm điện âm.
Nếu đưa vật nhiễm điện ra rất xa quả cầu thì electron trên quả cầu sẽ phân bố lại và quả cầu lại trung hòa như lúc ban đầu
Như vậy nếu một vật bị nhiễm điện thì điện tích của nó bao giờ cũng bằng một số nguyên lần điện tích của một electron (e = -1,6.10-19C).
1,6.10-19C được gọi là điện tích nguyên tố.
1.4. Định luật bảo tồn điện tích
“Đối với hệ cơ lập về điện (khơng có sự trao đổi điện tích với vật ngồi hệ),
tổng đại số điện tích của hệ khơng đổi”
' ' '
1 2 n 1 2 n
q q ... q q q ... q (1.1)
Chú ý rằng nếu hai vật A và B giống nhau thì sau khi trao đổi điện tích, điện tích trên hai vật trở nên bằng nhau.
' ' 1 2 1 2 q q q q 2 (1.2) 1. 5. Chất dẫn điện, chất cách điện
Cấu tạo và bản chất của các nguyên tử quyết định tính chất của vật dẫn và vật cách điện
1.5.1. Chất dẫn điện
Trong một số vật liệu như kim loại, nước biển, cơ thể người một số điện tích có thể dễ dàng di chuyển, ta nói các chất liệu đó là chất dẫn điện.
1.5.2. Chất cách điện
Trong một số chất khác như cao su, nhựa, thủy tinh, nước tinh khiết, khơng khí khơ… khơng có điện tích nào có thể di chuyển được, ta nói các chất liệu đó là chất cách điện điện.
1.5.3. Chất bán dẫn
Các chất như silic và germani là các chất trung gian giữa chất dẫn điện chất cách điện. Ở điều kiện bình thường chúng cách điện tốt nhưng khi bị chiếu sáng hoặc tác dụng bởi nhiệt độ thì chúng trở nên dẫn điện tốt. Đặc tính dẫn điện của chúng cịn phụ thuộc vào tạp chất được pha vào. Nhờ việc sử dụng các vật liệu bán dẫn, cuộc cách mạng về điện tử đã làm thay đổi cuộc sống của chúng ta trong nhiều lĩnh vực.
1.5.4 Chất siêu dẫn
Gọi là chất siêu dẫn vì khơng có một sự cản trở nào khi các điện tích chuyển động qua chúng. Các vật liệu thông thường, ngay cả các vật liệu dẫn điện tốt nhất đều gây ra tác dụng cản trở khi dòng điện chạy qua chúng, còn vật liệu siêu dẫn thì khơng. Nếu thiết lập một dịng điện chạy trong một vịng dây siêu dẫn thì dịng điện ấy sẽ tồn tại mãi mãi mà mà không cần nguồn điện nào để duy trì.
Năm 1911 vật liệu siêu dẫn đầu tiên được phát hiện bởi nhà vật lý người Hà Lan, Kammerlingh Onnes, ông phát hiện ra thủy ngân rắn bị mất điện trở hoàn toàn ở nhiệt độ dưới 4,15K (nhiệt độ tới hạn). Đến năm 1986, siêu dẫn vẫn chưa được ứng dụng vì các vật liệu siêu dẫn đã biết cần phải được làm lạnh xuống dưới 20K mới có
tính siêu dẫn. Tuy nhiên trong những năm gần đây người ta đã nâng được nhiệt độ tới hạn của vật liệu siêu lên cao hơn nhưng ở nhiệt độ bình thường thì vẫn là hi vọng trong tương lai.
1.6. Tƣơng tác giữa hai điện tích
Charlre Coulomb (1736 -1706) đã dùng chiếc cân xoắn của mình để khảo sát lực tương tác giữa hai điện tích điểm
(kích thước của chúng rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng). Tích điện cho quả cầu A cố định và quả cầu B được
gắn ở một thanh ngang treo trên một sợi dây đàn hồi mảnh. Khoảng cách giữa A, B có thể thay đổi nhờ núm xoay. Lực tương tác giữa A và B làm sợi dây đàn hồi xoắn lại cho đến khi mô men quay của lực tương tác cân bằng với mơ men xoắn trên sợi dây. Nhờ góc xoắn sẽ xác định được độ lớn của lực tương tác.
Năm 1785 Coulomb đã phát biểu định luật về tương tác giữa các điện tích: Lực tương tác giữa hai
điện tích điểm đặt trong chân khơng có phương trùng với đường thẳng nối hai điện tích, có độ lớn tỷ lệ với tích độ lớn của hai điện tích và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng
1 2 12 21 2 q q F F F k r (1.3) Trong đó: k = 9.109 Nm22 C là hằng số điện q1, q2: Điện tích tương tác (C)
r: Khoảng cách giữa hai điện tích (m) F: Độ lớn lực tương tác (N)
Các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau, các điện tích dấu thì hút nhau.
Trong chất điện môi lực tương tác giảm đi ε lần. Với ε là hằng số điện môi.
1 2 12 21 2 q q F F F k r (1.4) Hình 2.15. Cân xoắn
Bảng 2.1: Hằng số điện môi của một số chất
Chất điện mơi Chân
khơng Khơng khí Dầu hỏa
Nước nguyên chất Parafin Hằng số điện môi 1 1,000594 2,1 81 2
Chất điện môi Giấy Ebonit Thạch anh Thủy tinh Mica Hằng số điện môi 2 2,7 4,5 5÷10 5,7÷7 Lực do hệ điện tích tác dụng lên một điện tích Giả sử có điện tích q1, q2 cùng tác dụng lên q0. Gọi F10 là lực do q1 tác dụng lên q0; F20 là lực do q2 tác dụng lên q0. Lực tổng hợp tác dụng lên q0 là 0 10 20 F F F (1.5) 20
F không phụ thuộc vàoF10 nên (1.5) được gọi là nguyên lý tác dụng độc lập. Mở rộng cho hệ N điện tích cùng tác dụng lên q0:
N 0 i0 i 1 F F (1.6) Với i 0 i0 q q F k là lực do qi tác dụng lên q0 Hình 2.16. Biểu diễn lực do q1 và q2 tác dụng lên q0
Video về ứng dụng của hiện tượng nhiễm điện - Máy lọc bụi
- Máy in
- Sơn tĩnh điện
Tóm tắt nội dung bài học
- Điện tích có đơn vị là Coulomb (C); 1,6.10-10C là điện tích nguyên tố
- Vật nhiễm điện âm là vật thừa electron, vật nhiễm điện dương là vật thiếu electron.
- Với một hệ cơ lập về điện, tổng điện tích của hệ được bảo tồn.
- Khái niệm “điện tích” dùng để chỉ vật mang điện, đơi khi cịn mang nghĩa là điện lượng
- Chất dẫn điện là chất cho dịng điện tích đi qua, chất cách điện là chất khơng cho dịng điện tích đi qua.
- Lực tương tác giữa hai điện tích q1, q2:
Phương: Trùng đường thẳng nối hai điện tích
Chiều: Hướng lại gần nhau nếu trái dấu, hướng ra xa nhau nếu cùng dấu Điểm đặt: Đặt vào hai điện tích
Độ lớn: 1 2 2 q q F k r - Lực do hệ N điện tích tác dụng lên q0: N 0 i0 i 1 F F 1.7. Luyện tập 1.7.1. Bài tập ví dụ có hướng dẫn
Bài 1: Hai điện tích điểm dương q1 và q2 có cùng độ lớn điện tích là 8.10-7 C được đặt trong khơng khí cách nhau 10 cm.
a. Hãy xác định lực tương tác giữa hai điện tích đó trong khơng khí. b. Đặt hai điện tích đó vào trong mơi trường có hằng số điện mơi là =2 thì lực tương tác giữa chúng sẽ thay đổi thế nào? Để lực tương tác giữa chúng là không đổi (bằng lực tương tác khi đặt trong khơng khí) thì khoảng cách giữa chúng khi đặt trong mơi trường có hằng số điện mơi là bao nhiêu?
Hƣớng dẫn
a. Lực tương tác giữa q1 và q2 trong khơng khí
7 7 1 2 9 0 2 2 8.10 .8.10 q .q F k 9.10 0,576N r 0,1
b. Lực tương tác giữa q1 và q2 trong chất điện môi
1 2 0 2 q .q F F k 0, 288N r
Để lực tương tác trong chất điện mơi bằng trong khơng khí thì
1 2 1 2 0 '2 2 q .q q .q F' k F k r r '2 2 r r r r ' 5 2 cm
Bài 2: Tại 2 điểm A, B cách nhau 10 cm trong khơng khí, đặt 2 điện tích
q1 = -q2 = 6.10-6 C. Xác định lực điện trường do hai điện tích này tác dụng lên điện tích q3 = -3.10-8 C đặt tại C. Biết AC = BC = 15 cm.
Hƣớng dẫn
Trước tiên ta xác định lực do q1 và q2 tác dụng lên q3 và biểu diễn chúng lên hình vẽ. 6 8 1 3 9 13 2 2 6.10 .( 3.10 ) q .q F k 9.10 0,072N AC 0,15 13 F 23 F 3 F - q 3 C
6 8 2 3 9 23 2 2 ( 6.10 ).( 3.10 ) q .q F k 9.10 0,072N BC 0,15 Lực do đồng thời q1 và q2 tác dụng lên q3: 3 13 23 F F F
DoF13và F23có cùng độ lớn và tam giác ABC đều (F13, F23) = 1200. Áp dụng tính chất hình học trong hình thoi ta tính được
3 12 23
F F F 0,072N (Hoặc tính bởi 2 232
3 13 13 23 13 23
F F F 2F F cos(F ,F ) 0,072N )