Bài giảng vật lý ứng dụng

là trong khi hệ thực hiện quá trình không được phép có ma sát biến công thành nhiệt, truyền nhiệt từ nóng sang lạnh hoặc giản nở khí bằng chân không. - Để không có nhiệt truyền từ nóng sang lạnh, khi hệ nhận nhiệt nó phải diễn biến theo một quá trình đoạn nhiệt, còn khi muốn nhiệt độ không đổi thì nó phải thực hiện quá trình đẳng nhiệt. - Để không có công biến thành nhiệt hệ phải không có ma sát - Để không có khí giãn nở vào chân không, các quá trình phải diễn biến vô cùng chậm. Một quá trình thuận nghịch bất kỳ có thể xem như một dãy những quá trình đẳng nhiệt và đoạn nhiệt liên tiếp vô cùng chậm. Quá trình thuận nghịch đơn giản nhất nối giữa hai trạng thái bất kỳ bao gồm một quá trình đoạn nhiệt và một quá trình đẳng nhiệt, cả hai cùng diễn biến vô cùng chậm. Mỗi trạng thái trung gian của quá trình thuận nghịch hệ coi như ở trạng thái cân bằng, cho nên loại trừ một vài trường hợp cá biệt, ta có thể xem quá trình thuận nghịch như một quá trình cân bằng và có thể biểu diễn nó trên giản đồ PV bằng một đường nào đấy. Một quá trình mà đại bộ phận các khoảng trung gian là thuận nghịch nhưng có một khoảng dù rất nhỏ bất thuận nghịch cũng phải coi là quá trình bất thuận nghịch. 4.4.4. Chu trình thuận nghịch và chu trình Carnot Một chu trình mà mọi quá trình cấu tạo nên nó là thuận nghịch tùy ý có thể xem như cấu tạo bởi nhiều đoạn đường đẳng nhiệt và đoạn nhiệt vô cùng bé kế tiếp nhau. Vì các đường đẳng nhiệt tự chúng không cắt nhau, các đường đoạn nhiệt cũng không cắt nhau, nên chu trình thuận nghịch đơn giản nhất là chu trình chỉ có 2 đường đẳng nhiệt là 2 đường đoạn nhiệt mà ta gọi là chu trình Carnot (do Carnot đề xuất). Chu trình Carnot chạy thuận là một động cơ nhiệt, còn nếu chạy ngược nó là một máy lạnh lý tưởng. a. Chu trình thuận nghịch tùy ý xem như một dãy các đường đẳng nhiệt và đoạn nhiệt liên tiếp nhau. b. Chu trình Carnot gồm 2 đường đẳng nhiệt và 2 đường đoạn nhiệt. 37 4.4.5. Hiệu suất của chu trình Carnot với khí lý tưởng Chu trình Carnot là chu trình 2 nguồn nhiệt. Giá sử hệ (trong trường hợp đang xét) là một môle khí lý tưởng trao đổi (nhận) nhiệt Q1 với nguồn T1 và nhả nhiệt Q2 cho nguồn T2 . Hiệu suất của chu trình là: 1 2 1 Q Q Q -h = (26) Trong đó Q1 là nhiệt nhận trong quá trình AB B1 1 A VQ R.T .Ln V = (a) Q2 là nhiệt nhả trong quá trình CD C2 2 D VQ R.T .Ln V = (b) CB 1 2 A D B 1 A VVR.T .Ln R.T .Ln V V VR.T .Ln V - h = (27) Hai trạng thái A và D ở trên một đường đoạn nhiệt cho nên ( 1) ( 1)A A D DT .V T .V g- g-= ( 1) ( 1)1 A 2 DT .V T .V g- g-= (c) Tương tự 2 trạng thái B và C cũng trên một đường đoạn nhiệt cho nên: ( 1) ( 1)B B C CT .V T .V g- g-= ( 1) ( 1)1 B 2 CT .V T .V g- g-= (d) Chia 2 vế với vế 2 phương trình (c) và (d) ta được: A D ( 1)( 1) CB ( 1) ( 1) CV V V g-g- g- g-= Hay: CB A D VVLn Ln V V × = × (e) Thay (e) vào (3.36) ta được: 1 2 1 T T T -h = (28) Vậy hiệu suất của chu trình carnot thuận nghịch đối với khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nguồn nóng và nguồn lạnh. 38 Bài 5. CHẤT LỎNG 5.1. Tính chất và cấu tạo của chất lỏng 5.1.1. Tính chất của chất lỏng Ta biết trong đời sống hàng ngày, chất lỏng là trạng thái trung gian giữa chất khí và chất rắn, tùy theo nhiệt độ và áp suất mà chất lỏng có thể bay hơi thành chất khí hoặc cũng có thể đông đặc thành chất rắn. Trong chất lỏng các phân tử ở khá gần nhau, lực tương tác giữa chúng khá lớn do đó chúng không thể chuyển động tự do như trong chất khí mà dao động quanh vị trí cân bằng. Tuy nhiên chúng cũng khác chất rắn là các phân tử có thể từ vị trí cân bằng này chuyển sang vị trí cân bằng khác và khoảng dịch chuyển này chỉ vào cỡ kích thước của phân tử. Do đó chất lỏng có thể tích nhất định nhưng dễ dàng trượt lớp nọ lên lớp kia. Tóm lại, theo quan điểm thuyết động học phân tử sự khác nhau giữa tính chất của các trạng thái lỏng, khí, rắn là do sự sắp xếp các phần tử (thứ tự hay hỗn loạn) và khoảng cách tương đối giữa chúng giữa chúng (ở gần hay xa nhau). 5.1.2. Cấu tạo và chuyển động phân tử của chất lỏng Để hiểu rõ tính chất của chất lỏng, ta cần biết cấu tạo của chất lỏng. Các phân tử trong chất lỏng sắp xếp tương đối có thứ tự ở gần trạng thái cân bằng nhưng các phần tử có thể từ trạng thái cân bằng này chuyển sang trạng thái cân bằng cạnh đó. Thời gian dao động quanh vị trí cân bằng phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi tăng nhiệt độ thời gian đó giảm. Ở nhiệt độ gần nhiệt độ đông đặc thời gian đó lại rất lớn. Nghiên cứu chuyển động phân tử trong chất lỏng Frenken đã tìm ra công thức: Tk E e   0 Trong đó:  là thời gian dao động trung bình của phân tử quanh vị trí cân bằng k: hằng số Boltzman 0 là chu kỳ dao động trung bình của phân tử quanh vị trí cân bằng E là năng lượng hoạt động của phân tử T là nhiệt độ tuyệt đối Ví dụ: Đối với nước nhiệt độ thông thường t = 10-11 giây trong khi đó 0 = 10-13 giây. Như vậy, cứ dao động khoảng 100 chu kỳ phân tử nước lại dịch đi chỗ khác. 39 5.2. Các hiện tượng mặt ngoài của chất lỏng 5.2.1. Áp suất phân tử Trong chất lỏng, khoảng cách phân tử nhỏ so với trong chất khí. Vì vậy lực hút phân tử đóng một vai trò đáng kể. Tuy nhiên lực hút phân tử giảm nhanh theo khoảng cách, do đó những phân tử cách nhau một khoảng nhỏ hơn so với cỡ r = 10-9m mới tác dụng lên nhau, ngoài phạm vi đó các phân tử không tương tác với nhau. - Nếu lấy một phân tử làm tâm vẽ một mặt cầu bán kính r = 10-9m thì phân tử trên chỉ tương tác với các phân tử nằm trong mặt cầu đó. Mặt cầu đó gọi là mặt cầu bảo vệ. - Đối với các phân tử nằm sâu trong chất lỏng, mặt cầu bảo vệ hoàn toàn trong chất lỏng ta thấy lực phân tử do các phân tử xung quanh gây ra sẽ triệt tiêu nhau. Kết quả phân tử đó hầu như không chịu lực tác dụng. - Đối với các phân tử nằm ở mặt ngoài (có bề dày nhỏ hơn 10-9m) thì mặt cầu bảo vệ của chúng không nằm hoàn toàn trong chất lỏng, lực tác dụng lên mỗi phân tử không bù trừ lẫn nhau và phân tử chịu một lực tác dụng tổng hợp hướng vào trong chất lỏng. Lực này ép lên phần chất lỏng phía trong và gây nên một áp suất gọi là áp suất phân tử ở chất lỏng. - Đối với nước, áp suất phân tử đến hàng vạn átmốtphe, mặc dù áp suất phân tử rất lớn nhưng nó không nén được các phân tử sát lại nhau. Lý do vì lúc các phân tử sát nhau thì giữa các phân tử xuất hiện lực đẩy, lực đẩy này tăng rất nhanh khi khoảng cách giữa các phân tử giảm và chống lại áp suất phân tử.Do lực đẩy phân tử tăng khi khoảng cách giảm nên chất lỏng rất khó chịu nén. Chú ý: Không thể đo áp suất phân tử vì nó hướng vào trong chất lỏng, nó không tác dụng lên thành bình và lên các vật nhúng vào trong chất lỏng. 5.2.2. Lực căng mặt ngoài Ta hãy xét các phân tử nằm ở mặt ngoài của chất lỏng. Với các phân tử này mặt cầu bảo vệ của chúng chỉ có một phần trong lòng chất lỏng, khi đó lực tác dụng lên phân tử này có thể phân tích thành: - Hai thành phần tiếp tuyến với mặt ngoài chất lỏng - Một thành phần thẳng góc với mặt thoáng chất lỏng, thành phần pháp tuyến này gây nên áp suất phân tử như đã nói ở trên. Bây giờ ta xét hai thành phần tiếp tuyến với mặt ngoài. Bình thường hai thành phần này bù trừ với nhau. Ta giả sử vì một lý do nào đấy mặt ngoài chất lỏng ở phía bên phải bị phá vỡ lúc đó các thành phần tiếp tuyến không còn bù trừ nhau nữa. Mặt ngoài chất lỏng bị co về phía trái. Để giữ mặt ngoài của chất lỏng ở trạng thái cũ ta phải tác dụng lên chiều dài đường ranh giới 1 của mặt ngoài 40 chất lỏng một lực F hướng về bên phải. F phải thỏa mãn hai điều kiện: + F tiếp tuyến với mặt ngoài của chất lỏng + F vuông góc với ranh giới mặt ngoài F được gọi là sức căng mặt ngoài hay lực căng mặt ngoài. Ta thấy, nếu đường ranh giới mặt ngoài càng lớn thì sức căng mặt ngoài F càng lớn. Vậy F tỉ lệ thuận với đường ranh giới mặt ngoài. F = .   (2) : hệ số sức căng mặt ngoài Hệ số sức căng mặt ngoài là sức căng mặt ngoài tác dụng lên một đơn vị dài của đường ranh giới mặt ngoài. Trong hệ có: S.I: [] = N/m Ứng dụng: Nhiều hiện tượng của trạng thái lỏng ví dụ sự tạo thành lớp bọt trên mặt chất lỏng, sự tạo thành giọt chất lỏng chạy qua một lỗ nhỏ đều là do tác dụng của sức căng mặt ngoài. - Giả sử có một bọt không khí ở trong chất lỏng. Bọt khí nào nổi lên mặt, tới mặt chất lỏng, bọt khí đội một lớp chất lỏng có dạng hình vòm. Nếu bọt không khí đó nhỏ thì nó không thể xé rách lớp mặt ngoài và chịu nằm dưới mặt chất lỏng. Các bọt này tạo thành lớp bọt. - Khi chất lỏng chảy ra khỏi một ống thẳng đứng có đường kính bé thì do sức căng mặt ngoài chất lỏng không thể một lúc chảy ra khỏi ống. Chất lỏng chảy ra từ từ và phía trên giọt chất lỏng thắng sức căng mặt ngoài thì chỗ thắt bị đứt và tạo thành giọt nước rơi xuống. Nếu lỗ rất nhỏ và áp suất không đủ lớn thì không chảy ra ngoài được. 5.2.3. Năng lượng mặt ngoài Ta biết rằng các phân tử lớp mặt ngoài bị các phân tử ở phía trong hút. Vì vậy, năng lượng của chúng, ngoài động năng chuyển động nhiệt, còn có thể năng quy định bởi các lực hút đó. - Khi đem phân tử từ trong lòng chất lỏng ra lớp mặt ngoài ta cần thực hiện công chống lại lực hút phân tử. Như vậy, các phân tử lớp mặt ngoài có thế năng lớn hơn các phân tử phía trong. Phần năng lượng lớn hơn này gọi là năng lượng mặt ngoài của chất lỏng. - Số phân tử lớp ngoài càng nhiều thì năng lượng mặt ngoài càng lớn. Vì vậy năng lượng đó phụ thuộc vào diện tích mặt ngoài. 41 Gọi W và S là năng lượng và diện tích mặt ngoài. Ta có W = .S (3)  : gọi là hệ số sức căng mặt ngoài  : là hệ số phụ thuộc vào bản chất chất lỏng Trong hệ S.I đơn vị của  là Jun/m2 Ta biết rằng một hệ ở trạng thái cân bằng bền lúc thế năng cực tiểu vì vậy chất lỏng cũng sẽ ở trạng thái cân bằng bền lúc diện tích mặt ngoài của nó nhỏ nhất. Thông thường do tác động của trọng lực nên chất lỏng choán phần dưới của bình chứa và mặt ngoài là mặt thoáng nằm ngang nhưng nếu ta khử được tác dụng của trọng lực thì khối chất lỏng sẽ có dạng hình cầu tức là có diện tích mặt ngoài nhỏ nhất Thí nghiệm sau đây cho thấy điều đó: Bỏ một ít giọt dầu vào trong dung dịch rượu cùng tỉ trọng (nhưng không hòa tan dầu). - Một vật nhúng trong lòng chất lỏng thì bị chất lỏng đẩy lên một lực bằng trọng lượng của thể tích chất lỏng mà vật chiếm chỗ, dầu và dung dịch rượu có cùng tỷ trọng nên lực đẩy Archimede và trọng lực tác dụng lên giọt dầu bằng nhau về độ lớn, ngược hướng nên triệt tiêu lẫn nhau. - Nếu lấy một khung dây thép nhúng vào nước xà phòng thì ta sẽ được một màng xà phòng phủ kín khung. Thả vào đó một vòng chỉ rồi chọc thủng màng xà phòng ở phía trong vòng chỉ, vòng chỉ sẽ trở thành vòng tròn. Sở dĩ như vậy là vì do điều kiện năng lượng cực tiểu, diện tích màng xà phòng còn lại phải là nhỏ nhất. Vậy diện tích thủng phải là hình tròn, vì trong các hình cùng chu vi, hình tròn là hình có diện tích lớn nhất. 5.3. Hiện tượng dính ướt và không dính ướt Theo điều kiện cân bằng thủy tĩnh, mặt thoáng của chất lỏng cân bằng là một mặt nằm ngang. Tuy nhiên do ảnh hưởng của lực phân tử từ phía thành bình nên ở gần thành bình mặt chất lỏng bị cong đi.Lực phân tử F  là tổng hợp của hai lực. - Lực F  1 do các phân tử ở thành bình gây ra - Lực F  2 do các phân tử chất lỏng khác tác động lên phân tử ta xét. - F1 > F2 thì F r hướng về thành bình 42 - F1 < F2 thì F r hướng về chất lỏng Ở đây ta có thể bỏ qua trọng lượng của phân tử A. Vì vậy phân tử A chịu tác dụng của lực F  = F  1+ F  2 . Lúc phân tử A ở trạng thái cân bằng, lực F  phải thẳng góc với mặt thoáng của chất lỏng. Ta xét hai trường hợp cụ thể: a. Trường hợp thứ nhất - Lực tác dụng của các phân tử thành bình lên phân tử A chiếm ưu thế hơn lực tác dụng của các phân tử chất lỏng lên phân tử A. Nghĩa là F1 > F2 khi đó F  = F  1 + F  2 sẽ hướng về phía thành bình. - Khi phân tử A nằm ở trạng thái cân bằng. Lực F  phải thẳng góc với mặt thoáng của chất lỏng. Vì vậy trong trường hợp này mặt thoáng của chất lỏng phải là mặt cong lõm và chất lỏng có làm ướt thành bình (ví dụ nước đựng trong bình thủy tinh). b. Trường hợp thứ hai - Lực tác dụng của các phân tử chất lỏng lên phân tử A chiếm ưu thế hơn lực tác dụng của các phân tử thành hình lên phân tử A (F2 > F1). Trong trường hợp này F  =    2 1F F hướng vào trong lòng chất lỏng và mặt thoáng của chất lỏng phải là mặt cong lồi. Chất lỏng không làm ướt thành bình. - Định nghĩa góc mép: Thực nghiệm cho thấy rằng mặt ngoài chất lỏng gần thành bình thường bị cong đi. Để đặc trưng cho độ cong đó người ta đưa ra khái niệm góc mép . Định nghĩa: Góc mép  là góc xác định bởi thành bình phía đựng chất lỏng và tiếp tuyến với mặt thoáng của chất lỏng * Nếu 2 pq < thì chất lỏng làm ướt thành bình * Nếu 2 pq> thì chất lỏng không làm ướt thành bình * Nếu 0q = thì chất lỏng làm ướt hoàn toàn thành bình * Nếu q = p thì chất lỏng hoàn toàn không làm ướt thành bình Khái niệm làm ướt hay không làm ướt là một khái niệm tương đối. Mặt chất lỏng có thể làm ướt chất rắn này nhưng lại không làm ướt chất rắn khác. Ví dụ: Nước làm ướt thủy tinh nhưng không làm ướt Parafin, thủy ngân làm ướt đồng nhưng không làm ướt thủy tinh. 5.4. Hiện tượng mao dẫn 5.4.1. Áp suất phụ dưới mặt khum Do hiện tượng làm ướt hay không làm ướt nên mặt ngoài chất lỏng thường có dạng mặt khum (có thể lồi hoặc lõm). Xét một chu vi (c) của mặt khum lúc chất lỏng ở trạng thái cân bằng xung quanh (c) có các sức căng tác dụng. Do tác dụng của sức căng này nên phần chất lỏng ở phía dưới chịu tác dụng một áp suất phụ gọi là áp xuất dưới mặt khum. Ta tính áp suất này. 43 Xét trường hợp mặt khum lồi có dạng một chỏm cầu bán kính R và khấu kính r. Xét một đoạn l trên chu vi (c), nó chịu tác dụng một lực căng F  vuông góc với l, tiếp tuyến với mặt trong và theo (3-2) thì F = l. Phân tích F  ra 2 thành phần: thành phần nằm ngang F  2, thành phần thẳng đứng F  1. Ta thấy các lực F  2 tác dụng lên các cặp l đối xứng qua I sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Vì vậy sức căng nén lên chất lỏng bằng tổng các lực F  1. sD = D = D b = s D = Då å å å1 1 r .rF F F.sin . l. . lR R Vì l = chu vi vòng tròn C nên: s sD = × p = ×p 2.r 2F 2 r r R R Lực này ép lên diện tích r2. Vậy áp suất gây bởi mặt khum là: D sD = = p 2 F 2P .r R (4) Trong trường hợp mặt khum lõm áp suất phụ hướng lên trên. Nó có giá trị âm và bằng: 2P R dD = - 5.4.2. Hiện tượng mao dẫn Lấy 1 ống thủy tinh nhúng vào một chất lỏng. Nếu bán kính ống khá nhỏ thì mực chất lỏng trong ống chênh lệch với bên ngoài. Nếu chất lỏng làm ướt ống thì mực chất lỏng trong ống cao hơn ở ngoài, còn nếu chất lỏng không làm ướt ống thì mực chất lỏng trong ống thấp hơn. Hiện tượng có sự chênh lệch mực chất lỏng bên trong ống so với mực chất lỏng bên ngoài ống gọi là hiện tượng mao dẫn. Nguyên nhân của hiện tượng mao dẫn là do tác dụng của áp suất phụ dưới mặt khum trong ống mao dẫn. Trong trường hợp mặt khum lõm (làm ướt) áp suất phụ hướng lên trên và kéo theo một phần chất lỏng vào trong ống; còn trường hợp mặt khum lồi (không làm ướt) áp suất phụ hướng xuống dưới và nén một phần chất lỏng trong ống xuống. Ta tính độ chênh lệch của mực chất lỏng trong ống so với bên ngoài. Xét trường hợp nước dâng lên trong ống mao dẫn bằng thủy tinh. 44 Lấy 2 điểm M và N trên một trục ngang. Điểm N dưới mặt thoáng nằm ngang nên nó không chịu áp suất phụ ( 2P R sD = mà R = ). Nó chỉ chịu áp suất khí quyền H. Vậy: PN = H Điểm M vừa chịu áp suất khí quyển, vừa chịu áp suất thủy tĩnh gây bởi một chất lỏng chiều cao là h (áp suất này bằng gh); đồng thời nó còn chịu áp suất phụ p. Vậy PM = H + gh + p Vì M và N nằm trên một mức ngang nên PM = PN và ta rút ra: H + gh + p = H  Ph g D= - r 2P R sD = - vậy: 2h R g s= r Theo hình vẽ: d 1R 2 cos = × q với  là góc mép, d là đường kính ống mao dẫn). Vậy: 4 . cosh d g s q= r (5) Công thức (5) gọi là công thức Juyranh Trường hợp mặt khum lồi thì  2 p> và h có giá trị âm, chất lỏng trong ống tụt xuống. Trường hợp mặt khum lõm thì  < 2 p và h có giá trị dương chất lỏng trong ống dâng lên. Đặc biệt trường hợp  = 0 (làm ướt hoàn toàn). Thì: 4h d g s= r Hiện tượng mao dẫn đóng vai trò quan trọng trong thiên nhiên và trong kỹ thuật. Nhờ hiện tượng mao dẫn dầu hỏa mới thấm vào bấc đèn. Nhựa cây mới vận chuyển đến các bộ phận của cây, hơi ấm trong đất có thể theo những ống mao dẫn trong tường dâng lên và làm ẩm ướt nhà cửa. Trong nông nghiệp, hiện tượng mao dẫn đóng vai trò rất quan trọng trong canh tác. Trong đất luôn luôn có những rãnh nhỏ dài tạo thành những ống mao dẫn. Nước có thể từ dưới sâu theo những ống đó thấm lên trên mặt rồi bốc hơi và đất sẽ mất nhiều độ ẩm. Để tránh mất mát đó người ta thường cuốc xới đất, phá hoại những ống mao dẫn ở phía trên, ngăn không cho hơi ẩm thoát ra ngoài. 45 Bài 6. TRƯỜNG ĐIỆN T Ừ 6.1. Trường tĩnh điện 6.1.1. Những khái niệm mở đầu 1. Điện tích Điện tích được phát hiện từ thời cổ xưa qua sự cọ xát của những vật khô ráo như thuỷ tinh, nhựa cọ xát với len dạ .... Các vật đó sau khi được cọ xát với nhau thì có khả năng hút được vật nhẹ như cọng rơm, vụn giấy...Các vật có khả năng như vậy gọi là vật nhiễm điện. khi một vật nhiễm điện, ta nói rằng nó chứa điện tích. Người ta phân biệt hai loại điện tích dương và điện tích âm. Điện tích âm xuất hiện ở vật bằng nhựa khi bị cọ xát, còn điện tích dương xuất hiện ở vật bằng thuỷ tinh khi bị cọ xát. Các điện tích cùng loại sẽ đẩy nhau, các điện tích khác loại sẽ hút nhau. 2. Thuyết điện tử Như chúng ta đã biết, mỗi nguyên tử của chất đều được cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích dương, xung quanh có các hạt electron mang điện tích âm chuyển động. Điện tích e của mỗi electron có giá trị bằng e = - 1,6.10-19C. Ở trạng thái cân bằng, điện tích của hạt nhân về trị số bằng điện tích của các electron ta nói nguyên tử trung hoà điện., nếu một nguyên tử mất đi 1 hay nhiều electron thì nguyên tử trở thanh ion dương. Ngược lại, nếu nó nhận thêm một hay nhiều electron thì nguyên tử trở thành ion âm. Lý thuyết giải thích các hiện tượng điện bằng sự tồn tại và chuyển động của các điện tử được gọi là thuyết điện tử. 3. Vật dẫn điện và vật cách điện Vật dẫn điện là vật mà trong đó các điện tích có thể di chuyển rất dễ dàng từ vật thể này sang vật thể khác hoặc từ chỗ này đến chỗ khác trong cùng một vật. Chất cách điện (điện môi) là vật mà trong đó có khả năng di chuyển của điện tích rất bị hạn chế. Việc phân chia các chất thành vật dẫn điện và điện môi có tính quy ước. Ngoài điện môi và vật dẫn điện còn có chất bán dẫn là loại chất có những tính chất điện đặc biệt. 4. Định luật bảo toàn điện tích Khi tham gia vào những quá trình nào đó, điện tích có thể di chuyển từ vật thể này sang vật thể khác hoặc từ chỗ này đến chỗ khác trong cùng một vật, nhưng điện tích không thể tự sinh ra và cũng không thể tự mất đi. Định luật bảo toàn điện tích được phát biểu: "Trong một hệ cô lập, tổng đại số các điện tích giữ nguyên không đổi " 6.1.2. Định luật Coulomb về sự tương tác giữa các điện tích Năm 1785 qua thực nghiệm, Coulomb đã tìm ra định luật về sự tương tác giữa các điện tích điểm. Điện tích điểm là điện tích chứa trong một vật có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách mà ta đang xét. 46 1. Định luật Coulomb trong chân không Giả sử có hai điện tích điểm q1, q2 đặt trong chân không và cách nhau một khoảng r. Định luật Coulomb được phát biểu như sau: Lực tương tác tĩnh điện giữa hai điện tích điểm có phương nằm trên đường thẳng nối hai điện tích điểm, có chiều sao cho hai điện tích hút nhau nếu chúng khác dấu và đẩy nhau nếu chúng cùng dấu. Có độ lớn tỷ lệ thuận với tích số độ lớn của hai điện tích và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa hai điện tích. (Hình 1-1) Gọi 1F  là lực tác dụng của điện tích q1 lên q2. 2F  là lực tác dụng của điện tích q2 lên q1. 12r  là bán kính vectơ hướng từ điện tích q1 đến điện tích q2. 21r  là bán kính vectơ hướng từ điện tích q2 đến điện tích q1. r r. r q.q.kF 122 21 1   r r. r q.q.kF 212 21 2   Trong hệ SI trong đó k = 04 1  = 9.109 ( 2 2. c mN ) với 0 = 8,86.10-12 ( 2 2 .mN c ) Về độ lớn của hai lực 1F  và 2F  bằng nhau và bằng F1 = F2 = 04 1  . 2 21 . r qq 2. Định luật Coulomb trong môi trường vật chất Nếu hai điện tích được đặt trong môi trường vật chất thì lực tương tác F giữa các điện tích sẽ giảm đi  lần so với lực tương tác giữa chúng trong chân không. r r r qq F o 12 2 21' 1 .. . . 4 1    r r r qq F 212 21 0 ' 2 .. . . 4 1    Về độ lớn : F'1 = F'2 = 04 1  . 2 21 . . r qq  6.1.3. Điện trường, vectơ cường độ điện trường 1. Khái niệm điện trường Ta đã biết các điện tích đặt cách xa nhau một khoảng nào đó mà vẫn tương tác được với nhau. Hơn nữa, ngay khi đặt trong chân không chúng lại tương tác với nhau mạnh hơn. Câu hỏi được đặt ra ở đây: Lực tương tác giữa các điện tích được truyền đi như thế nào, có sự tham gia của môi trường xung quanh không? 47 Theo quan điểm duy vật, vật lý hiện đại trả lời rằng: Sự tương tác giữa các điện tích đứng yên đặt cách xa nhau, chỉ có thể thực hiện thông qua một dạng đặc biệt vật chất trung gian và gọi là điện trường. Vậy: Điện trường là một dạng vật chất tồn tại xung quanh các điện tích và là nhân tố trung gian thực hiện tương tác giữa các điện tích. Đặc điểm của điện trường mỗi điện tích đặt trong điện trường sẽ chịu tác dụng của một lực tĩnh điện, khi đó tương tác giữa các điện tích được thực hiện như sau: Mỗi điện tích tạo ra xung quanh nó một điện trường và điện trường của điện tích này sẽ tác dụng một lực tĩnh điện lên các điện tích kia. 2. Vectơ cường độ điện trường Để đặc trưng cho các tính chất của điện trường tại một điểm, người ta dùng một đại lượng vật lý là vectơ cường độ điện trường E  .Vì điện trường thể hiện ở lực tác dụng lên điện tích đặt trong trường nên muốn tìm cường độ điện trường E  tại một điểm ta đặt vào đó một điện tích thử dương q. Thực nghiệm chứng tỏ rằng khi q thay đổi thì F cũng thay đổi nhưng tỷ số q F tại mỗi điểm thì luôn luôn không đổi, tỷ số này không phụ thuộc vào độ lớn của điện tích thử mà chỉ phụ thuộc vào vị trí đặt q. Vì vậy, tỷ số đó có thể dùng để đặc trưng cho tác dụng lực của điện trường tại điểm ta xét và gọi là vectơ cường độ điện trường: Ta xét: q FE   Nếu chọn q = + 1 C thì E  = F  . Định nghĩa: Vectơ cường độ điện trường tại một điểm là vectơ có độ lớn, phương và chiều của lực mà điện trường tác dụng lên một đơn vị điện tích dương đặt tại điểm ta xét. Trong hệ SI: đơn vị của điện trường là V/m 3. Vectơ cường độ điện trường gây ra bởi một điện tích điểm Cho một điện tích điểm Q cố định. Muốn tìm vectơ cường độ điện trường E tại một điểm M cách điện tích Q một khoảng r, ta đặt tại M một điện tích thử q. Theo định luật Coulomb, q chịu một lực: r r r qQF  . . .. 4 1 2 0   Trong đó, r là bán kính vectơ hướng từ điện tích Q đến điểm M. Theo định nghĩa q FE   = r r r Q . . . 4 1 2 0  - Phương chiều của E  - Nếu Q > 0 thì E  hướng từ Q đi ra. - Nếu Q < 0 thì E  hướng vào Q Hình 2 Hình 3 48 - Độ lớn (cường độ điện trường tại M). E = 2 0 . . 4 1 r Q  4. Nguyên lý chồng chất điện trường Giả sử ta có một hệ điện tích điểm Q1, Q2 ,..., Qn. Nếu để riêng rẽ thì Q1 gây ra một điện trường 1E  , Q2 gây ra một điện trường 2E  ,......, Qn gây ra một điện trường nE  . Gọi E  là vectơ cường độ điện trường do cả hệ các điện tích gây ra tại M. Theo nguyên lý chồng chất điện trường ta có: E  = 1E  + 2E  + ... + nE  hay E  =   n i iE 1  5. Ví dụ: Tính cường độ điện trường gây bởi một lưỡng cực điện. Lưỡng cực điện là một hệ gồm hai điện tích điểm bằng nhau nhưng trái dấu đặt cách nhau một khoảng l. Vectơ l  hướng từ q- sang q+ Vectơ lqp   là vectơ mômen điện của lưỡng cực. Gọi E  và E  là vectơ cường độ điện trường do q+ và q- gây ra tại M. Vì   qq , r+ = r- = r nên về độ lớn E+ = E- = 2 04 r q   Phương chiều của E  và E  được xác định trên hình vẽ . Gọi E  là vectơ cường độ điện trường do q+ và q- gây ra tại M. theo nguyên lý cường độ điện trường ta có: E  = 