Lý thuyết điện trường và cường độ điện trường – Đường sức điện

TRƯỜNG ĐIỆN VÀ CƯỜNG ĐỘ TRƯỜNG ĐIỆN

ĐƯỜNG SỨC ĐIỆN

I. Trường điện

1. Môi trường truyền tương tác điện

Giả sử chúng ta đặt hai quả cầu điện tích có dấu trái nhau trong một hình cầu kín và hút không khí ra khỏi hình cầu. Chúng ta đã biết rằng, sức hút giữa hai quả cầu không chỉ yếu đi mà còn mạnh lên. Điều này cho thấy có một loại môi trường nào đó truyền tương tác điện giữa hai quả cầu. Môi trường đó chính là trường điện.

2. Trường điện

Trường điện là môi trường (thể chất) bao quanh điện tích và liên kết với điện tích. Trường điện tác động lực điện lên các điện tích khác đặt trong nó.

Mọi nơi có điện tích thì xung quanh điện tích đó có trường điện.

Một điện tích Q đặt tại một điểm trong không gian sẽ tạo ra xung quanh nó một trường điện. Một điện tích q đặt trong trường điện đó sẽ bị Q tác động vào một lực điện và ngược lại, q cũng tác động lực lên Q (hình 3.1)

II. Cường độ trường điện

1. Khái niệm về cường độ trường điện

Giả sử có một điện tích điểm Q đặt tại điểm O. Điện tích này tạo ra một trường điện xung quanh nó. Để nghiên cứu trường điện của Q tại điểm M, chúng ta đặt tại đó một điện tích điểm q, gọi là điện tích thử và xem xét lực điện tác động vào q (Hình 3.2). Theo định luật Coulomb, khi q càng xa Q thì lực điện tác động càng nhỏ. Chúng ta nói trường điện tại các điểm càng xa Q càng yếu. Vì vậy, chúng ta cần xây dựng một khái niệm đặc trưng cho mạnh, yếu của trường điện tại một điểm. Khái niệm đó chính là cường độ trường điện.

2. Định nghĩa.

Thực nghiệm đã chứng minh rằng, lần lượt các điện tích thử q1, q2, … khác nhau tại cùng một điểm thì:

(dfrac{F_{1}}{q_{1}}=dfrac{F_{2}}{q_{2}}=…)

Chúng ta có thể thấy độ lớn của lực điện tác động lên điện tích thử q = +1C được sử dụng để đặc trưng cho cường độ trường điện tại điểm mà chúng ta xét. Tuy nhiên, theo công thức (1.1), độ lớn F của lực điện tỉ lệ thuận với q, vì vậy số (frac{F}{q}) chính là độ lớn của lực điện tác động lên một điện tích 1C. Do đó, chúng ta sẽ sử dụng số này làm đại lượng đo cường độ trường điện. Vì vậy, chúng ta có định nghĩa sau:

Cường độ trường điện tại một điểm là đại lượng đặc trưng cho tác động lực của trường điện tại điểm đó. Nó được xác định bằng số (frac{F}{q}) với F là độ lớn của lực điện tác động vào một điện tích thử q (dương) đặt tại điểm đó và q.

(E=dfrac{F}{q}) (3.1)

3. Vectơ cường độ trường điện

Vì lực F là một vectơ, trong khi điện tích q là một đại lượng vô hướng, nên cường độ trường điện E cũng là một vectơ.

Cường độ trường điện được biểu diễn bằng một vectơ gọi là vectơ cường độ trường điện. Từ công thức (3.1), chúng ta có:

Vectơ cường độ trường điện (overrightarrow{E}) có:

+ Phương và chiều trùng với phương và chiều của lực điện tác động lên điện tích thử q dương.

+ Chiều dài (độ lớn) biểu diễn độ lớn của cường độ trường điện theo một tỉ lệ xác định.

4. Đơn vị đo cường độ trường điện.

Đơn vị đo cường độ trường điện là Volt trên mét (kí hiệu là V/m).

5. Công thức tính cường độ trường điện tại một điện tích điểm

Công thức tính cường độ trường điện tại một điện tích điểm Q:

(E= dfrac{F}{q}=k.dfracQ{varepsilon .r^{2}}) (3.2)

6. Nguyên lý chồng chất trường điện

Giả sử có hai điện tích điểm Q­1­ và Q2­ gây ra tại điểm M hai vectơ cường độ trường điện (overrightarrow{E_{1}}) và (overrightarrow{E_{2}}).

Nguyên lý chồng chất trường điện: Hai trường E1 và E2 đồng thời tác động lực điện lên điện tích q một cách độc lập với nhau. Cường độ trường điện tại một điểm bằng tổng của (overrightarrow{E_{1}}) và (overrightarrow{E_{2}}).

(overrightarrow{E}=overrightarrow{E_{1}}+overrightarrow{E_{2}}) (3.3)

Các vectơ cường độ trường điện tại một điểm được tổng hợp theo quy tắc hình bình hành.

III. Đường sức điện

1. Hình ảnh của các đường sức điện

Người ta đã chứng minh rằng, các hạt nhỏ đã bị nhiễm điện và nằm dọc theo hướng của lực điện. Tập hợp các hạt nhỏ sẽ nằm dọc theo các đường mà tiếp tuyến tại mỗi điểm tuân theo hướng của vectơ cường độ trường điện tại điểm đó. Mỗi đường đó được gọi là một đường sức điện.

2. Định nghĩa

Đường sức điện là đường mà tiếp tuyến tại mỗi điểm của nó là giá trị của vectơ cường độ trường điện tại điểm đó. Nói cách khác, đường sức điện là đường mà lực điện tác động dọc theo đó.

3. Các đặc điểm của đường sức điện

+ Qua mỗi điểm trong trường điện có một và chỉ một đường sức điện.

+ Đường sức điện là các đường hướng. Hướng của đường sức điện tại một điểm là hướng của vectơ cường độ trường điện tại điểm đó.

+ Đường sức điện của trường điện tĩnh là những đường không đóng. Nó xuất phát từ điện tích dương và kết thúc tại điện tích âm.

+ Mặc dù có nhiều đường sức từ, nhưng chúng ta chỉ vẽ một số ít đường theo quy tắc sau: Số đường sức đi qua một điện tích nhất định đặt vuông góc với đường sức điện tại điểm mà chúng ta xét tỉ lệ với cường độ trường điện tại điểm đó.

4. Trường điện đồng nhất

Trường điện đồng nhất là trường điện mà vectơ cường độ trường điện tại mọi điểm có cùng hướng, cùng chiều và cùng độ lớn; đường sức điện là các đường song song cách đều.

Trường điện trong một chất dẫn cùng loại nằm giữa hai tấm kim loại phẳng có đặt song song với nhau và có cùng điện tích, trái dấu là một trường điện đồng nhất.

Sơ đồ tư duy về trường điện và cường độ trường điện. Đường sức điện