I. Điện Trường
1. Môi trường truyền tương tác điện
Điện trường đóng vai trò là môi trường trung gian truyền tương tác giữa các điện tích. Thí nghiệm cho thấy lực tương tác giữa hai điện tích trái dấu trong môi trường chân không mạnh hơn so với khi có không khí. Điều này chứng tỏ sự tồn tại của một môi trường đặc biệt, gọi là điện trường, đảm nhận vai trò truyền tương tác điện.
2. Định nghĩa điện trường
Điện trường là một dạng vật chất tồn tại xung quanh điện tích, gắn liền với điện tích và có khả năng tác dụng lực điện lên các điện tích khác đặt trong nó. Nói cách khác, mọi điện tích đều tạo ra một điện trường bao quanh nó.
Khi một điện tích q nằm trong điện trường do điện tích Q tạo ra, q sẽ chịu tác dụng của một lực điện từ Q và ngược lại.
II. Cường Độ Điện Trường
1. Khái niệm cường độ điện trường
Cường độ điện trường là một đại lượng vật lý đặc trưng cho độ mạnh yếu của điện trường tại một điểm. Để xác định cường độ điện trường tại một điểm M do điện tích Q gây ra, ta đặt tại M một điện tích thử q và đo lực điện tác dụng lên q. Lực điện này sẽ thay đổi theo khoảng cách giữa q và Q, do đó cần một đại lượng để đặc trưng cho điện trường tại một điểm cố định.
Điện tích thử q chịu tác dụng lực điện trong điện trường của điện tích Q
2. Định nghĩa cường độ điện trường
Cường độ điện trường tại một điểm là đại lượng đặc trưng cho tác dụng lực của điện trường tại điểm đó. Nó được xác định bằng thương số của độ lớn lực điện F tác dụng lên một điện tích thử q (dương) đặt tại điểm đó và độ lớn của q.
Công thức:
(E=dfrac{F}{q}) (3.1)
3. Vectơ cường độ điện trường
Cường độ điện trường là một đại lượng vectơ, được biểu diễn bằng vectơ cường độ điện trường (overrightarrow{E}). Vectơ này có các đặc điểm sau:
- Phương và chiều: Trùng với phương và chiều của lực điện tác dụng lên điện tích thử q dương.
- Độ lớn: Biểu diễn độ lớn của cường độ điện trường theo một tỉ lệ xích nhất định.
4. Đơn vị đo cường độ điện trường
Đơn vị đo cường độ điện trường là Vôn trên mét (V/m).
5. Công thức tính cường độ điện trường của một điện tích điểm
Cường độ điện trường do một điện tích điểm Q gây ra tại một điểm cách nó một khoảng r trong môi trường có hằng số điện môi ε được tính theo công thức:
(E= dfrac{F}{q}=k.dfrac{|Q|}{varepsilon .r^{2}}) (3.2)
Trong đó:
- k là hằng số Coulomb, k ≈ 9.10^9 N.m²/C²
- |Q| là độ lớn của điện tích Q
- ε là hằng số điện môi của môi trường
- r là khoảng cách từ điện tích Q đến điểm đang xét
6. Nguyên lý chồng chất điện trường
Khi có nhiều điện tích cùng gây ra điện trường tại một điểm, cường độ điện trường tổng hợp tại điểm đó bằng tổng vectơ của các cường độ điện trường do từng điện tích gây ra.
Giả sử có hai điện tích điểm Q1 và Q2 gây ra tại điểm M hai vectơ cường độ điện trường (overrightarrow{E_{1}}) và (overrightarrow{E_{2}}).
Nguyên lý chồng chất điện trường được biểu diễn bằng công thức:
(overrightarrow{E}=overrightarrow{E_{1}}+overrightarrow{E_{2}}) (3.3)
Các vectơ cường độ điện trường tại một điểm được tổng hợp theo quy tắc hình bình hành.
III. Đường Sức Điện
1. Hình ảnh trực quan về đường sức điện
Đường sức điện là một cách trực quan để mô tả điện trường. Người ta nhận thấy rằng các hạt nhỏ nhiễm điện có xu hướng sắp xếp dọc theo phương của lực điện. Tập hợp các hạt này tạo thành những đường mà tiếp tuyến tại mỗi điểm trùng với phương của vectơ cường độ điện trường tại điểm đó.
2. Định nghĩa đường sức điện
Đường sức điện là đường mà tiếp tuyến tại mỗi điểm của nó trùng với phương của vectơ cường độ điện trường tại điểm đó. Nói cách khác, lực điện tác dụng dọc theo đường sức điện.
3. Các đặc điểm của đường sức điện
- Qua mỗi điểm trong điện trường chỉ có một và duy nhất một đường sức điện.
- Đường sức điện là những đường có hướng. Hướng của đường sức điện tại một điểm là hướng của vectơ cường độ điện trường tại điểm đó.
- Đường sức điện của điện trường tĩnh điện là đường không khép kín. Nó đi ra từ điện tích dương và kết thúc ở điện tích âm.
- Mật độ đường sức điện biểu thị độ lớn của cường độ điện trường. Số đường sức đi qua một diện tích nhất định đặt vuông góc với đường sức điện tỉ lệ với cường độ điện trường tại điểm đó.
4. Điện trường đều
Điện trường đều là điện trường mà vectơ cường độ điện trường tại mọi điểm đều có cùng phương, cùng chiều và cùng độ lớn. Đường sức điện trong điện trường đều là những đường thẳng song song cách đều.
Điện trường giữa hai bản kim loại phẳng song song, tích điện trái dấu và đặt trong môi trường điện môi đồng chất là một ví dụ điển hình về điện trường đều.
Điện trường đều giữa hai bản kim loại phẳng song song tích điện trái dấu
Kết luận
Điện trường và cường độ điện trường là những khái niệm cơ bản trong điện học, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về tương tác giữa các điện tích và cách điện trường tác dụng lực lên chúng. Việc nắm vững các công thức và nguyên lý liên quan đến điện trường là rất quan trọng trong việc giải quyết các bài toán và ứng dụng thực tế.