Lực Điện và Thuyết Electron

Lực Điện

• Điện tích là vật mang điện, tích điện hoặc bị nhiễm điện.
• Điện tích điểm là vật tích điện có kích thước nhỏ so với khoảng cách đang xét, được xem như điện tích tập trung tại một điểm.
• Điện tích được ký hiệu là q, đơn vị là Coulomb (C).
• Có hai loại điện tích: điện tích dương (q > 0) và điện tích âm (q < 0).
• Mỗi điện tích đều là bội số nguyên lần của điện tích nguyên tố.
• Độ lớn điện tích proton và electron trong nguyên tử bằng điện tích nguyên tố: |qₚ| = |qₑ| = e.

Tương Tác Giữa Hai Điện Tích - Lực Điện

• Các điện tích cùng dấu đẩy nhau, trái dấu thì hút nhau.
• Lực đẩy hoặc hút giữa các điện tích gọi là lực tương tác điện (lực điện).
• Điện tích xuất hiện ở thanh thủy tinh cọ xát với len là điện tích dương.
• Điện tích xuất hiện ở thanh nhựa cọ xát với vải là điện tích âm.

Thuyết Electron – Sự Nhiễm Điện Của Các Vật

• Thuyết electron giải thích các hiện tượng điện dựa trên sự cư trú và di chuyển của electron.
• Nguyên tử gồm hạt nhân (điện tích dương, chiếm khối lượng lớn) và các electron chuyển động xung quanh.
• Bình thường, nguyên tử trung hòa về điện.
• Electron có khối lượng nhỏ, linh động, dễ bứt ra khỏi nguyên tử và di chuyển từ vật này sang vật khác.
• Vật trung hòa mất electron trở thành vật nhiễm điện dương.
• Vật trung hòa nhận electron trở thành vật nhiễm điện âm.

Nhiễm Điện Do Cọ Xát

• Xảy ra khi cọ xát hai vật khác chất, trung hòa về điện.
• Hai vật nhiễm điện trái dấu.
• Có sự di chuyển electron từ vật này sang vật khác.

Nhiễm Điện Do Tiếp Xúc

• Xảy ra khi vật trung hòa tiếp xúc với vật nhiễm điện.
• Hai vật nhiễm điện cùng dấu.
• Có sự di chuyển electron từ vật này sang vật khác.

Nhiễm Điện Do Hưởng Ứng

• Xảy ra khi vật A (dẫn điện, trung hòa) đặt gần vật B (nhiễm điện) mà không tiếp xúc.
• Hai đầu vật A nhiễm điện trái dấu (gần vật B) và cùng dấu (xa vật B) với vật B.
• Không có sự di chuyển electron từ vật này sang vật khác, chỉ có sự phân bố lại điện tích trên vật bị nhiễm điện.
• Tổng đại số điện tích trên vật bị nhiễm điện thay đổi trong quá trình cọ xát và tiếp xúc.
• Tổng đại số điện tích trên vật bị nhiễm điện không thay đổi trong quá trình hưởng ứng.
• Sau tiếp xúc, nếu đưa thanh kim loại ra xa quả cầu, thanh kim loại vẫn nhiễm điện
• Sau hưởng ứng, nếu đưa vật A ra xa vật B thì vật A trở về trạng thái trung hòa như lúc đầu.
• Để xảy ra nhiễm điện do tiếp xúc hoặc hưởng ứng, cần đặt vật mang điện tiếp xúc hoặc lại gần thanh kim loại hoặc vật dẫn điện.
• Hai thanh kim loại nhiễm điện A, B đưa lại gần nhau đều gây ra hiện tượng nhiễm điện do hưởng ứng cho cả hai.
• A gây ra hiện tượng nhiễm điện do hưởng ứng cho B
• B gây ra hiện tượng nhiễm điện do hưởng ứng cho A

Định Luật Bảo Toàn Điện Tích

• Trong hệ cô lập về điện, tổng điện tích không đổi.
• Nếu cho 2 vật A, B mang điện tích q₁, q₂ tiếp xúc với nhau, sau tiếp xúc điện tích của các vật là q₁' và q₂' thì q₁ + q₂ = q₁' + q₂'
• Nếu 2 vật nhiễm điện có kích thước giống nhau thì sau khi tiếp xúc chúng sẽ có cùng điện tích q₁' = q₂' = (q₁ + q₂)/2

Định Luật Coulomb

• Lực tương tác giữa hai điện tích điểm đặt trong chân không có phương trùng với đường thẳng nối hai điện tích điểm.
• Độ lớn tỉ lệ thuận với tích độ lớn của hai điện tích điểm và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.
• F là lực tương tác giữa hai điện tích điểm q₁, q₂ (N).
• r là khoảng cách giữa hai điện tích điểm q₁, q₂ (m).
• q₁, q₂ là giá trị điện tích (C).
• k là hệ số tỉ lệ, có độ lớn phụ thuộc vào môi trường đặt điện tích và đơn vị sử dụng.
• Trong hệ đơn vị SI: k = 1/(4πε₀) = 9.10⁹ Nm²/C² (ε₀ là hằng số điện, ε₀ = 8,85.10⁻¹² C²/Nm²).
• Lưu ý: Vì không khí khô tương tự chân không nên biểu thức trên thường dùng cho cả hai môi trường.
• Điện môi là môi trường cách điện.
  • Ví dụ: không khí ở điều kiện chuẩn, nước nguyên chất, giấy, dầu hỏa, parafin, mica, thủy tinh, thạch anh, Êbônit...
• Hằng số điện môi ε đặc trưng cho tính chất cách điện của môi trường (ε = 1 trong chân không; ε ≈ 1 trong không khí).
• Khi đặt các điện tích điểm trong điện môi đồng tính, lực tương tác giữa chúng giảm đi ε lần so với khi đặt trong chân không.

Lực Điện Tổng Hợp Tác Dụng Lên Một Điện Tích Điểm

• Nếu xét trường hợp chỉ có hai lực: F = F₁ + F₂
  • Độ lớn: F = √(F₁² + F₂² + 2F₁.F₂.cos(α)) với α = (F₁, F₂)
  • Nếu F₁ cùng phương, cùng chiều F₂: F = F₁ + F₂
  • Nếu F₁ cùng phương, ngược chiều F₂: F = |F₁ - F₂|
  • Nếu F₁ vuông góc F₂: F = √(F₁² + F₂²)
  • Nếu F₁ = F₂: F = 2F₁.cos(α/2)

Điện Trường

• Điện trường được tạo ra bởi điện tích, là dạng vật chất tồn tại quanh điện tích và truyền tương tác giữa các điện tích.
• Tính chất cơ bản của điện trường là tác dụng lực điện lên các điện tích khác đặt trong nó.
• Cường độ điện trường E là đại lượng vectơ, đặc trưng cho độ mạnh, yếu của điện trường, có đơn vị là V/m.
• Vectơ cường độ điện trường E tại một điểm được xác định bằng tỉ số giữa vectơ lực điện F tác dụng lên một điện tích q đặt tại điểm đó và giá trị của điện tích q: E = F/q
  • Phương: trùng với phương của lực điện tác dụng lên điện tích q.
  • Chiều:
    • Nếu q > 0 thì E cùng chiều F.
    • Nếu q < 0 thì E ngược chiều F.
  • E tỉ lệ F,q ( q gọi là điện tích thử)
• Vectơ cường độ điện trường E do một điện tích điểm Q gây ra tại một điểm M cách Q một đoạn r có:
  • Điểm đặt: Tại M
  • Phương: Trùng với đường nối M và Q
  • Chiều: Hướng ra xa Q nếu Q > 0; Hướng vào Q nếu Q < 0
  • Độ lớn: E = k(|Q|/r²) = |Q|/(4πε₀r²)

Cường Độ Điện Trường Tổng Hợp

• Nếu có hai điện tích Q₁ > 0 và Q₂ < 0 đặt trong chân không và gây ra tại điểm M hai điện trường E₁ và E₂, theo nguyên lý chồng chất điện trường, vectơ cường độ điện trường tổng hợp tại M là E = E₁ + E₂
  • (E₁, E₂) = α => EM = √(E₁² + E₂² + 2E₁E₂ cos(α))
  • Nếu E₁↑↑ E₂ thì E = E₁ + E₂
  • Nếu E₁↑↓ E₂ thì E = |E₁ – E₂|
  • Nếu E₁ ⊥ E₂ thì E = √(E₁² + E₂²)
  • Nếu E₁ = E₂ thì E = 2E₁.cos(α/2)

Đường Sức Điện Trường

• Đường sức điện là đường được vẽ trong điện trường sao cho tiếp tuyến của nó tại mỗi điểm trùng với phương của vec tơ cường độ điện trường tại điểm đó.
• Các tính chất của đường sức điện:
  • Qua 1 điểm trong điện trường chỉ vẽ được 1 đường sức điện → các đường sức điện không cắt nhau.
  • Đường sức điện là những đường có hướng; Hướng của đường sức điện tại 1 điểm là hướng của vectơ cường độ điện trường tại điểm đó.
  • Đường sức điện của điện trường tĩnh là đường không khép kín, xuất phát từ điện tích dương (hoặc vô cực), kết thúc ở điện tích âm (hoặc vô cực).
  • Càng gần điện tích, điện trường càng mạnh → vẽ dày; Càng xa điện tích, điện trường càng yếu → vẽ thưa.
• Khi cho một hoặc một số quả cầu tích điện vào trong một bể dầu đã trộn đều các hạt cách điện.
• Hệ các đường được tạo thành từ các hạt cách điện được gọi là điện phổ của điện tích hoặc hệ điện tích.

Điện Trường Đều

• Điện trường đều là điện trường có cường độ điện trường tại mọi điểm đều bằng nhau (giống nhau về cả phương, chiều và độ lớn).
• Đường sức của điện trường đều là những đường thẳng song song cách đều nhau.
• Điện trường ở không gian bên trong hai bản phẳng song song tích điện trái dấu là điện trường đều.
• Điện trường giữa hai bản phẳng song song tích điện trái dấu: E = U/d
  • U là hiệu điện thế giữa hai bản; Hiệu điện thế càng cao thì điện trường càng mạnh. E tỉ lệ thuận với U.
  • d là khoảng cách giữa hai bản; Khoảng cách giữa hai bản càng lớn thì điện trường càng yếu. E tỉ lệ nghịch với d.
• Điện tích chuyển động trong điện trường: Khi thả nhẹ một điện tích trong điện trường đều, dưới tác dụng của lực điện trường, điện tích sẽ chuyển động theo hướng của lực điện trường.
• Khi một điện tích bay vào điện trường đều theo phương vuông góc với đường sức, dưới tác dụng của lực điện trường:
  • Vận tốc theo phương song song với đường sức bị biến đổi.
  • Vận tốc theo phương vuông góc với đường sức không thay đổi.
  • Kết quả là vận tốc của điện tích liên tục đổi phương và tăng dần độ lớn, quỹ đạo chuyển động trở thành đường parabol.
    • Trong đó y = (1/2) . (qU/mdv₀²) . x²
  • electron mang điện âm (q < 0) do đó quỹ đạo chuyển động của electron có dạng là đường parabol bề lõm hướng lên - trường hợp điện tích dương (q > 0) quỹ đạo chuyển động của electron có dạng là đường parabol bề lõm hướng xuống.

Công Của Lực Điện

• Xét một điện tích q dương (q > 0) di chuyển theo đường thẳng MN, tạo với các đường sức từ một góc α:
• AMN = qEdMN = q·E·MH trong đó:
  • AMN : công của lực điện khi di chuyển điện tích q từ M đến N (J)
  • q: giá trị điện tích (C)
  • E: cường độ điện trường (V/m)
  • d: độ dài đại số hình chiếu của đường đi lên phương của đường sức (m) (d có thể dương, âm hoặc bằng 0)
  • d>0 khi hình chiếu của đường đi lên phương của đường sức điện cùng hướng với đường sức.
  • d<0 khi hình chiếu của đường đi lên phương của đường sức điện ngược hướng với đường sức.
• Công của lực điện trong sự dịch chuyển của 1 điện tích không phụ thuộc vào hình dạng đường đi mà chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm đầu và điểm cuối của đường đi trong điện trường.

Thế Năng Của Một Điện Tích Trong Điện Trường

• Thế năng của một điện tích trong điện trường:
  • WM = qEd trong đó:
    • WM (J): là thế năng điện của điện tích q tại điểm M
    • d (m): là khoảng cách từ M đến bản âm (m)
• Nếu điện tích q ở trong điện trường bất kì thì thế năng bằng công của lực điện khi dịch chuyển điện tích q từ M ra xa vô cùng (WM = AM∞)
• Thế năng của 1 điện tích q đặt tại điểm M trong điện trường đặc trưng cho khả năng sinh công của điện trường khi đặt điện tích q tại điểm đó.
• Gọi WM và WN lần lượt là thế năng của điện tích q ở M và N. Công của lực điện khi di chuyển q từ M đến N là AMN = WM-WN

Điện Thế Tại Một Điểm Trong Điện Trường

• Vì độ lớn của lực điện tỉ lệ thuận với điện tích thử q, thế năng của một điện tích tại điểm trong điện trường cũng tỉ lệ thuận với q
  • VM là một Điện thế: WM = qVM số tỉ lệ, không phụ thuộc vào q chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm M trong điện trường,.
• Điện thế tại một điểm trong điện trường đặc trưng cho điện trường tại điểm đó về thế năng.
  • Điện thế V = AM∞/q

Hiệu Điện Thế

• Lấy hiệu giữa điện thế VM và điện thế VN ta được hiệu điện thế giữa hai điểm M và N là UMN = VM-VN AMN = qUMN = q(VM-VN) = WM – WN
• Hiệu điện thế V = q/AMN. Là đại lượng sinh công của điện trường khi di chuyển điện tích từ M đến N

Mối liên hệ giữa hiệu điện thế và cường độ điện trường

• Trong điện trường đều, xét một điện tích thử dương chuyển động dọc theo một đường sức điện từ điểm M đến điểm N E = = (VM- VN)/d

Chuyển Động Của Điện Tích Trong Điện Trường

• Hạt tích điện q chuyển động trong điện trường đều từ M đến N thì điện trường thực hiện công