Kiến thức về điện trường là một phần không thể thiếu trong chương trình vật lý lớp 11. Vậy điện trường là gì? Điện trường tĩnh là gì? Và điều gì xảy ra tại 1 điểm xác định trong điện trường tĩnh? Hãy cùng với Thuonghieuviet tìm hiểu ngay sau đây nhé!
Điện Trường Là Gì? Điện Trường Tĩnh Là Gì?
Điện trường là một khái niệm quan trọng trong vật lý, được định nghĩa là môi trường điện được tạo ra bởi các đường lực điện bao quanh các điện tích. Điện trường có thể được biểu diễn bằng các đường sức điện, là các đường cong có phương tiếp tuyến trùng với hướng của vectơ cường độ điện trường tại mỗi điểm. Cường độ điện trường là một đại lượng vectơ, được xác định bằng thương số của lực điện tác dụng lên một điện tích thử dương đặt tại một điểm và độ lớn của điện tích thử.
Điện trường tĩnh là loại điện trường không thay đổi theo thời gian, do các nguồn điện tích không chuyển động hoặc chuyển động chậm. Điện trường tĩnh có thể được phân loại thành hai loại: điện trường do các nguồn điện tích tự do (không bị ràng buộc) và do các nguồn điện tích cảm ứng (bị ràng buộc). Ví dụ về nguồn điện tích tự do là một quả cầu có điện tích Q, ví dụ về nguồn điện tích cảm ứng là một quả cầu kim loại được đặt trong một điện trường ngoài.
Để xác định cường độ điện trường tại một điểm xác định trong không gian, ta có thể sử dụng công thức sau:
Trong đó:
- E là cường độ điện trường (V/m).
- Q là nguồn điện tích ©.
- ϵ0 là hằng số điện môi của chân không (8.85×10−12 F/m).
- r là khoảng cách từ nguồn điện tích đến điểm xét (m).
Tính chất của điện trường tĩnh
Điện trường tĩnh có một số tính chất sau:
- Điều kiện biên: Khi qua ranh giới giữa hai môi trường có hằng số điện môi khác nhau, cường độ điện trường sẽ thay đổi theo một tỷ lệ nhất định. Nếu gọi ϵ1 và ϵ2 là hằng số điện môi của hai môi trường, E$_1$ và E$_2$ là cường độ điện trường của hai môi trường, n là vectơ pháp tuyến của bề mặt ranh giới, thì ta có công thức:
- Nguyên lý siêu vị: Khi có nhiều nguồn điện tích tạo ra điện trường tĩnh, thì cường độ điện trường tại một điểm bất kỳ bằng tổng vectơ của các cường độ điện trường do từng nguồn điện tích riêng lẻ tạo ra. Nếu gọi E là cường độ điện trường tổng hợp, E$_i$ là cường độ điện trường do nguồn điện tích thứ i tạo ra, thì ta có công thức:
Định luật Gauss: Tổng lượng điện trường chảy qua một bề mặt kín bất kỳ bằng tổng lượng điện tích bên trong bề mặt đó nhân với hằng số 1/ϵ0. Nếu gọi Q là tổng lượng điện tích bên trong bề mặt, ΦE là luồng điện trường qua bề mặt, thì ta có công thức:
Ứng dụng của điện trường tĩnh
Điện trường tĩnh có nhiều ứng dụng trong cuộc sống và công nghệ, ví dụ như:
- Máy phát điện: Máy phát điện là thiết bị chuyển đổi năng lượng cơ thành năng lượng điện. Nguyên lý hoạt động của máy phát điện dựa trên hiệu ứng quang phát quang, tức là khi một dây dẫn chuyển động trong một từ trường, sẽ có một hiệu điện thế được sinh ra giữa hai đầu dây. Hiệu điện thế này gây ra một dòng điện chạy qua dây dẫn. Từ trường trong máy phát điện có thể được tạo ra bởi các nam châm vĩnh cửu hoặc các cuộn dây có dòng điện chạy qua.
- Máy biến áp: Máy biến áp là thiết bị chuyển đổi giữa hai nguồn điện xoay chiều có cùng tần số nhưng khác về hiệu điện thế và cường độ dòng điện. Nguyên lý hoạt động của máy biến áp dựa trên hiệu ứng từ cảm ứng, tức là khi một cuộn dây có dòng điện xoay chiều chạy qua, sẽ tạo ra một từ trường xoay chiều xung quanh cuộn dây. Từ trường này sẽ cảm ứng một hiệu điện thế xoay chiều vào một cuộn dây khác gần kề. Tỷ lệ giữa hiệu điện thế vào và ra của máy biến áp bằng tỷ lệ giữa số vòng dây của hai cuộn.
- Máy tĩnh điện: Máy tĩnh điện là thiết bị tạo ra điện trường tĩnh bằng cách sử dụng sự ma sát giữa hai vật liệu khác nhau. Nguyên lý hoạt động của máy tĩnh điện dựa trên hiệu ứng tribo điện, tức là khi hai vật liệu có độ âm điện khác nhau tiếp xúc và tách rời, sẽ có sự chuyển dịch điện tích giữa chúng. Ví dụ về máy tĩnh điện là máy Van de Graaff, máy Wimshurst và máy Kelvin.
- Máy phóng điện: Máy phóng điện là thiết bị tạo ra các tia lửa điện bằng cách sử dụng một nguồn điện trường tĩnh có hiệu điện thế cao. Nguyên lý hoạt động của máy phóng điện dựa trên hiệu ứng phóng điện, tức là khi một nguồn điện trường tĩnh có hiệu điện thế vượt quá ngưỡng độ bền của không khí, sẽ có sự chuyển hóa không khí từ trạng thái chất lỏng sang trạng thái khí ion hóa, gây ra các tia lửa điện. Ví dụ về máy phóng điện là máy Tesla, máy Marx và máy Jacob.
Hiện tượng xảy ra tại một điểm xác định trong điện trường tĩnh
Tại một điểm xác định trong điện trường tĩnh, có thể xảy ra các hiện tượng sau:
- Lực điện: Lực điện là lực tác dụng lên một vật có điện tích khi đặt trong một điện trường. Lực điện có hướng song song với vectơ cường độ điện trường và có độ lớn bằng tích của cường độ điện trường và độ lớn của điện tích. Nếu gọi F là lực điện, E là cường độ điện trường, q là điện tích, thì ta có công thức:
F=qE
- Công điện: Công điện là công được thực hiện bởi lực điện khi di chuyển một vật có điện tích từ một vị trí này sang một vị trí khác trong một điện trường. Công điện bằng tích của lực điện và quãng đường di chuyển theo hướng của lực. Nếu gọi W là công điện, F là lực điện, s là quãng đường di chuyển, thì ta có công thức:
W=Fs
Trên đây là kiến thức và lời giải của Thuonghieuviet về trường hợp tại 1 điểm xác định trong điện trường tĩnh sẽ xảy ra điều gì. Hãy để lại bình luận bên dưới nếu các bạn có bất kỳ thắc mắc nào nhé! Chúng tôi sẽ trả lời bạn trong thời gian sớm nhất. Hẹn gặp lại các bạn trong những bài viết tiếp theo.