Chúng ta luôn nhận được tín hiệu về các sự kiện ở xa bằng phương tiện trung gian. Ví dụ: liên lạc qua điện thoại được thực hiện bằng dây điện, việc truyền giọng nói qua khoảng cách xảy ra bằng sóng âm thanh truyền trong không khí.
(âm thanh không thể truyền đi trong không gian thiếu không khí). Vì sự xuất hiện của tín hiệu luôn là một hiện tượng vật chất nên sự lan truyền của nó gắn liền với việc truyền năng lượng từ điểm này sang điểm khác trong không gian chỉ có thể xảy ra trong môi trường vật chất.
Dấu hiệu quan trọng nhất cho thấy môi trường trung gian tham gia vào quá trình truyền tín hiệu là tốc độ truyền tín hiệu cuối cùng từ nguồn đến người quan sát, điều này phụ thuộc vào đặc tính của môi trường. Ví dụ, âm thanh trong không khí truyền đi với tốc độ khoảng 330 m/s.
Nếu có những hiện tượng trong tự nhiên trong đó tốc độ truyền tín hiệu là vô cùng lớn, tức là tín hiệu sẽ được truyền ngay lập tức từ vật thể này sang vật thể khác ở bất kỳ khoảng cách nào giữa chúng, thì điều này có nghĩa là các vật thể có thể tác dụng lên nhau ở một tốc độ nhất định. khoảng cách và sự vắng mặt của vật chất giữa chúng. Tác dụng này của các vật thể lên nhau trong vật lý được gọi là tác dụng tầm xa. Khi các vật thể tác dụng lên nhau với sự trợ giúp của vật chất nằm giữa chúng, sự tương tác giữa chúng được gọi là tác dụng tầm ngắn. Do đó, trong quá trình tương tác chặt chẽ, cơ thể tác động trực tiếp đến môi trường vật chất và môi trường này đã ảnh hưởng đến cơ thể khác.
Phải mất một thời gian để truyền ảnh hưởng của vật thể này sang vật thể khác thông qua một môi trường trung gian, vì mọi quá trình trong môi trường vật chất đều được truyền từ điểm này sang điểm khác với tốc độ hữu hạn và được xác định rõ ràng. Sự chứng minh toán học cho lý thuyết tác dụng tầm ngắn được đưa ra bởi nhà khoa học xuất sắc người Anh D. Maxwell (1831-1879). Vì các tín hiệu truyền tức thời không tồn tại trong tự nhiên nên trong phần tiếp theo chúng ta sẽ tuân theo lý thuyết tầm ngắn.
Trong một số trường hợp, sự truyền tín hiệu xảy ra nhờ sử dụng vật chất, chẳng hạn như sự truyền âm thanh trong không khí. Trong các trường hợp khác, chất này không tham gia trực tiếp vào việc truyền tín hiệu, chẳng hạn như ánh sáng từ Mặt trời tới Trái đất qua không gian không có không khí. Vì vậy, vật chất không chỉ tồn tại ở dạng chất.
Trong trường hợp tác động của các vật thể lên nhau có thể xảy ra trong không gian thiếu không khí, môi trường vật chất truyền tác động này được gọi là trường. Như vậy, vật chất tồn tại ở dạng chất và dạng? lĩnh vực. Tùy thuộc vào loại lực tác dụng giữa các vật thể, trường có thể có nhiều loại khác nhau. Trường truyền tác dụng của vật này lên vật khác theo định luật vạn vật hấp dẫn được gọi là trường hấp dẫn. Trường truyền tác dụng của một điện tích đứng yên lên một điện tích đứng yên khác theo định luật Coulomb được gọi là điện trường hoặc điện trường.
Kinh nghiệm đã chỉ ra rằng tín hiệu điện lan truyền trong không gian không có không khí với tốc độ rất cao nhưng hữu hạn, xấp xỉ 300.000 km/s (§ 27.7). Cái này
chứng minh rằng điện trường là thực tại vật lý giống như vật chất. Việc nghiên cứu các tính chất của trường cho phép truyền năng lượng đi xa bằng cách sử dụng trường và sử dụng nó cho nhu cầu của nhân loại. Một ví dụ là hiệu ứng của thông tin vô tuyến, truyền hình, tia laser, v.v. Tuy nhiên, nhiều tính chất của lĩnh vực này chưa được nghiên cứu kỹ hoặc chưa được biết đến. Nghiên cứu tính chất vật lý của trường và sự tương tác giữa trường và vật chất là một trong những vấn đề khoa học quan trọng nhất của vật lý hiện đại.
Bất kỳ điện tích nào cũng tạo ra một điện trường trong không gian, nhờ đó nó tương tác với các điện tích khác. Điện trường chỉ tác dụng lên các điện tích. Do đó, một trường như vậy chỉ có thể được phát hiện theo một cách: bằng cách đưa một điện tích thử vào điểm không gian mà chúng ta quan tâm. Nếu có một trường tại điểm này thì một lực điện sẽ tác dụng lên nó.
Khi một trường được kiểm tra bằng điện tích thử, người ta tin rằng sự hiện diện của nó không làm biến dạng trường đang nghiên cứu. Điều này có nghĩa là độ lớn của điện tích thử nghiệm phải rất nhỏ so với các điện tích tạo ra trường. Người ta đã đồng ý sử dụng điện tích dương làm điện tích thử nghiệm.
Từ định luật Coulomb, giá trị tuyệt đối của lực tương tác giữa các điện tích giảm khi khoảng cách giữa chúng ngày càng tăng, nhưng không bao giờ biến mất hoàn toàn. Điều này có nghĩa là về mặt lý thuyết, trường điện tích kéo dài đến vô tận. Tuy nhiên, trong thực tế, chúng tôi tin rằng trường chỉ xuất hiện khi có một lực đáng chú ý tác dụng lên điện tích thử nghiệm.
Chúng ta cũng lưu ý rằng khi một điện tích chuyển động thì trường của nó cũng chuyển động theo nó. Khi điện tích bị loại bỏ nhiều đến mức lực điện tác dụng lên điện tích thử tại bất kỳ điểm nào trong không gian thực tế không còn tác dụng, chúng ta nói rằng trường đã biến mất, mặc dù trên thực tế nó đã di chuyển đến các điểm khác trong không gian.
Điện trường, theo các khái niệm vật lý cơ bản, không gì khác hơn là một loại môi trường vật chất đặc biệt phát sinh xung quanh các vật tích điện và ảnh hưởng đến việc tổ chức tương tác giữa các vật thể đó ở một tốc độ hữu hạn nhất định và trong một không gian giới hạn nghiêm ngặt.
Từ lâu người ta đã chứng minh rằng điện trường có thể xuất hiện ở cả vật đứng yên và vật chuyển động. Dấu hiệu chính của sự hiện diện của nó là tác dụng của nó đối với
Một trong những định lượng chính là khái niệm “cường độ trường”. Về mặt số học, thuật ngữ này có nghĩa là tỷ lệ của lực tác dụng lên điện tích thử nghiệm trực tiếp với biểu thức định lượng của điện tích này.
Việc điện tích mang tính thử nghiệm có nghĩa là bản thân nó không tham gia vào việc tạo ra trường này và giá trị của nó nhỏ đến mức không dẫn đến bất kỳ biến dạng nào của dữ liệu gốc. Cường độ trường được đo bằng V/m, thường bằng N/C.
Nhà nghiên cứu nổi tiếng người Anh M. Faraday đã đưa vào sử dụng khoa học phương pháp biểu diễn đồ họa của điện trường. Theo ông, loại vật chất đặc biệt này nên được miêu tả trong hình vẽ dưới dạng những đường nét liên tục. Sau đó, chúng được gọi là “đường cường độ điện trường” và hướng của chúng, dựa trên các định luật vật lý cơ bản, trùng với hướng của cường độ.
Các đường lực là cần thiết để thể hiện các đặc tính định tính của lực căng như độ dày hoặc mật độ. Trong trường hợp này, mật độ của các đường căng phụ thuộc vào số lượng của chúng trên một đơn vị bề mặt. Hình ảnh được tạo của các đường trường cho phép bạn xác định biểu thức định lượng của cường độ trường trong các phần riêng lẻ của nó, cũng như tìm hiểu xem nó thay đổi như thế nào.
Điện trường của chất điện môi có những tính chất khá thú vị. Như đã biết, chất điện môi là những chất trong đó thực tế không có các hạt tích điện tự do, do đó, chúng không có khả năng dẫn điện. Những chất như vậy trước hết phải bao gồm tất cả các loại khí, gốm sứ, sứ, nước cất, mica. , vân vân.
Để xác định cường độ trường trong chất điện môi, một điện trường phải chạy qua nó. Dưới ảnh hưởng của nó, các điện tích liên kết trong chất điện môi bắt đầu dịch chuyển, nhưng chúng không thể rời khỏi giới hạn phân tử của mình. Sự dịch chuyển có hướng ngụ ý rằng những vật tích điện dương bị dịch chuyển dọc theo hướng của điện trường và những vật tích điện âm - ngược lại. Kết quả của những thao tác này, một điện trường mới xuất hiện bên trong chất điện môi, hướng của nó ngược chiều với điện trường bên ngoài. Trường bên trong này làm suy yếu đáng kể trường bên ngoài, do đó, độ căng của trường bên ngoài giảm xuống.
Cường độ trường là đặc tính định lượng quan trọng nhất của nó, tỷ lệ thuận với lực mà loại vật chất đặc biệt này tác dụng lên một điện tích bên ngoài. Mặc dù thực tế là không thể nhìn thấy giá trị này, nhưng với sự trợ giúp của việc vẽ các đường sức căng, bạn có thể biết được mật độ và hướng của nó trong không gian.
Chi tiết Chuyên mục: Điện và từ Đăng ngày 05/06/2015 20:46 Lượt xem: 13114Trong những điều kiện nhất định, điện trường và từ trường xen kẽ có thể tạo ra lẫn nhau. Chúng tạo thành một trường điện từ, hoàn toàn không phải là trường điện từ của chúng. Đây là một tổng thể duy nhất trong đó hai lĩnh vực này không thể tồn tại nếu không có nhau.
Từ lịch sử
Thí nghiệm của nhà khoa học Đan Mạch Hans Christian Oersted, được thực hiện vào năm 1821, cho thấy dòng điện tạo ra từ trường. Đổi lại, từ trường thay đổi có thể tạo ra dòng điện. Điều này đã được chứng minh bởi nhà vật lý người Anh Michael Faraday, người đã phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ vào năm 1831. Ông cũng là tác giả của thuật ngữ “trường điện từ”.
Vào thời điểm đó, khái niệm tác dụng tầm xa của Newton đã được chấp nhận trong vật lý. Người ta tin rằng tất cả các vật thể tác động lên nhau trong khoảng trống với tốc độ vô cùng cao (gần như ngay lập tức) và ở bất kỳ khoảng cách nào. Người ta cho rằng các điện tích tương tác theo cách tương tự. Faraday tin rằng sự trống rỗng không tồn tại trong tự nhiên và sự tương tác xảy ra ở tốc độ hữu hạn thông qua một môi trường vật chất nhất định. Môi trường truyền điện tích này là trường điện từ. Và nó di chuyển với tốc độ bằng tốc độ ánh sáng.
Lý thuyết của Maxwell
Bằng cách kết hợp các kết quả của các nghiên cứu trước đây, Nhà vật lý người Anh James Clerk Maxwellđược tạo ra vào năm 1864 lý thuyết trường điện từ. Theo đó, từ trường thay đổi sẽ tạo ra điện trường thay đổi và điện trường xoay chiều tạo ra từ trường xoay chiều. Tất nhiên, trường đầu tiên được tạo ra bởi một nguồn điện tích hoặc dòng điện. Nhưng trong tương lai, những trường này có thể tồn tại độc lập với những nguồn như vậy, khiến cho nhau xuất hiện. Đó là, điện trường và từ trường là thành phần của một trường điện từ. Và mọi thay đổi ở một trong số chúng đều gây ra sự xuất hiện của một cái khác. Giả thuyết này tạo thành cơ sở cho lý thuyết của Maxwell. Điện trường do từ trường sinh ra là dòng xoáy. Các đường sức của nó bị đóng lại.
Lý thuyết này mang tính hiện tượng học. Điều này có nghĩa là nó được tạo ra dựa trên các giả định và quan sát chứ không xét đến nguyên nhân của điện trường và từ trường.
Tính chất của trường điện từ
Điện từ trường là sự kết hợp giữa điện trường và từ trường nên tại mỗi điểm trong không gian của nó nó được mô tả bằng hai đại lượng chính: cường độ điện trường E và cảm ứng từ trường TRONG .
Vì trường điện từ là quá trình biến đổi điện trường thành từ trường, sau đó từ trường thành điện trường nên trạng thái của nó liên tục thay đổi. Lan truyền trong không gian và thời gian, nó tạo thành sóng điện từ. Tùy thuộc vào tần số và độ dài, các sóng này được chia thành sóng vô tuyến, bức xạ terahertz, bức xạ hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia cực tím, tia X và tia gamma.
Các vectơ cường độ và cảm ứng của trường điện từ vuông góc với nhau và mặt phẳng chứa chúng vuông góc với phương truyền sóng.
Trong lý thuyết tác dụng tầm xa, tốc độ truyền sóng điện từ được coi là lớn vô cùng. Tuy nhiên, Maxwell đã chứng minh rằng không phải vậy. Trong một chất, sóng điện từ lan truyền với tốc độ hữu hạn, tốc độ này phụ thuộc vào tính thấm điện môi và từ tính của chất đó. Vì vậy, Lý thuyết Maxwell được gọi là lý thuyết tác dụng tầm ngắn.
Lý thuyết của Maxwell đã được xác nhận bằng thực nghiệm vào năm 1888 bởi nhà vật lý người Đức Heinrich Rudolf Hertz. Ông đã chứng minh rằng sóng điện từ tồn tại. Hơn nữa, ông còn đo tốc độ lan truyền của sóng điện từ trong chân không, hóa ra tốc độ này bằng tốc độ ánh sáng.
Ở dạng tích phân, định luật này trông như thế này:
Định luật Gauss cho từ trường
Dòng cảm ứng từ qua một bề mặt kín bằng không.
Ý nghĩa vật lý của định luật này là điện tích từ không tồn tại trong tự nhiên. Các cực của nam châm không thể tách rời được. Các đường sức từ bị đóng lại.
Định luật cảm ứng Faraday
Sự thay đổi cảm ứng từ gây ra sự xuất hiện của điện trường xoáy.
,
Định lý tuần hoàn từ trường
Định lý này mô tả các nguồn của từ trường, cũng như các trường do chúng tạo ra.
Dòng điện và sự thay đổi cảm ứng điện tạo ra từ trường xoáy.
,
,
E- cường độ điện trường;
N- cường độ từ trường;
TRONG- cảm ứng từ. Đây là đại lượng vectơ biểu thị lực mà từ trường tác dụng lên một điện tích có độ lớn q chuyển động với tốc độ v;
D- cảm ứng điện hoặc độ dịch chuyển điện. Nó là đại lượng vectơ bằng tổng của vectơ cường độ và vectơ phân cực. Sự phân cực được gây ra bởi sự dịch chuyển của các điện tích dưới tác dụng của điện trường bên ngoài so với vị trí của chúng khi không có trường đó.
Δ - Điều hành viên Nabla. Hoạt động của toán tử này trên một trường cụ thể được gọi là rôto của trường này.
Δ x E = thối E
ρ - mật độ điện tích ngoài;
j- mật độ dòng điện - giá trị biểu thị cường độ dòng điện chạy qua một đơn vị diện tích;
Với- tốc độ ánh sáng trong chân không.
Nghiên cứu về trường điện từ là một môn khoa học gọi là điện động lực học. Cô xem xét sự tương tác của nó với các vật thể mang điện tích. Sự tương tác này được gọi là điện từ. Điện động lực học cổ điển chỉ mô tả các tính chất liên tục của trường điện từ bằng phương trình Maxwell. Điện động lực học lượng tử hiện đại tin rằng trường điện từ cũng có những tính chất rời rạc (không liên tục). Và sự tương tác điện từ như vậy xảy ra với sự trợ giúp của các hạt-lượng tử không thể phân chia, không có khối lượng và điện tích. Lượng tử trường điện từ được gọi là photon .
Điện từ trường xung quanh chúng ta
Một trường điện từ được hình thành xung quanh bất kỳ dây dẫn nào mang dòng điện xoay chiều. Nguồn của trường điện từ là đường dây điện, động cơ điện, máy biến áp, giao thông điện đô thị, giao thông đường sắt, thiết bị điện và điện tử gia dụng - tivi, máy tính, tủ lạnh, bàn là, máy hút bụi, điện thoại vô tuyến, điện thoại di động, máy cạo râu điện - nói một cách dễ hiểu, tất cả mọi thứ liên quan đến tiêu thụ hoặc truyền tải điện. Nguồn điện từ trường mạnh mẽ là máy phát tivi, ăng-ten của trạm điện thoại di động, trạm radar, lò vi sóng, v.v. Và vì có khá nhiều thiết bị như vậy xung quanh chúng ta nên trường điện từ bao quanh chúng ta ở khắp mọi nơi. Những lĩnh vực này ảnh hưởng đến môi trường và con người. Điều này không có nghĩa là ảnh hưởng này luôn tiêu cực. Điện trường và từ trường đã tồn tại xung quanh con người từ rất lâu nhưng cường độ bức xạ của chúng cách đây vài chục năm thấp hơn hiện nay hàng trăm lần.
Ở một mức độ nhất định, bức xạ điện từ có thể an toàn cho con người. Vì vậy, trong y học, bức xạ điện từ cường độ thấp được sử dụng để chữa lành các mô, loại bỏ quá trình viêm nhiễm và có tác dụng giảm đau. Thiết bị UHF làm giảm co thắt cơ trơn của ruột và dạ dày, cải thiện quá trình trao đổi chất trong tế bào của cơ thể, làm giảm trương lực mao mạch và hạ huyết áp.
Nhưng trường điện từ mạnh gây ra sự gián đoạn hoạt động của hệ thống tim mạch, miễn dịch, nội tiết và thần kinh của con người, đồng thời có thể gây ra chứng mất ngủ, đau đầu và căng thẳng. Điều nguy hiểm là tác động của chúng gần như vô hình đối với con người và sự xáo trộn xảy ra dần dần.
Làm thế nào chúng ta có thể bảo vệ mình khỏi bức xạ điện từ xung quanh chúng ta? Không thể làm được điều này một cách trọn vẹn nên bạn cần cố gắng giảm thiểu tác động của nó. Trước hết, bạn cần sắp xếp các thiết bị gia dụng sao cho chúng cách xa những nơi chúng ta thường đến. Ví dụ, đừng ngồi quá gần TV. Rốt cuộc, khoảng cách càng xa nguồn của trường điện từ thì nó càng yếu đi. Rất thường xuyên, chúng tôi để thiết bị được cắm. Nhưng trường điện từ chỉ biến mất khi thiết bị bị ngắt khỏi mạng điện.
Sức khỏe con người còn bị ảnh hưởng bởi điện từ trường tự nhiên – bức xạ vũ trụ, từ trường Trái đất.
Tác dụng của một số vật tích điện này lên các vật tích điện khác được thực hiện mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng thông qua một điện trường.
Điện trường là vật chất. Nó tồn tại độc lập với chúng ta và kiến thức của chúng ta về nó.
Một điện trường được tạo ra bởi các điện tích và được phát hiện bởi các điện tích do tác dụng của một lực nhất định lên chúng.
Điện trường lan truyền với tốc độ cuối cùng là 300.000 km/s trong chân không.
Vì một trong những tính chất chính của điện trường là tác dụng của nó lên các hạt tích điện có một lực nhất định, nên để đưa ra các đặc tính định lượng của trường, cần phải đặt một vật nhỏ có điện tích q (điện tích thử) tại một điểm trong không gian dưới học. Một lực sẽ tác dụng lên vật này từ trường
|
|
|
Ví dụ, nếu bạn thay đổi kích thước của điện tích thử nghiệm theo hệ số hai, thì lực tác dụng lên nó cũng sẽ thay đổi theo hệ số hai.
Khi giá trị của điện tích thử nghiệm thay đổi theo hệ số n thì lực tác dụng lên điện tích cũng thay đổi theo hệ số n.
Tỷ số giữa lực tác dụng lên một điện tích thử đặt tại một điểm cho trước của điện trường với độ lớn của điện tích này là một giá trị không đổi và không phụ thuộc vào lực này, độ lớn của điện tích hoặc vào việc liệu có tồn tại hay không. bất kỳ khoản phí nào. Tỷ số này được ký hiệu bằng một chữ cái và được lấy là đặc tính lực của điện trường. Đại lượng vật lý tương ứng được gọi là cường độ điện trường .
Lực căng biểu thị lực điện tác dụng lên một đơn vị điện tích đặt tại một điểm cho trước trong điện trường.
Để tìm đơn vị của lực căng, bạn cần thay đơn vị của lực - 1 N và điện tích - 1 C vào phương trình xác định lực căng. Ta được: [ E ] = 1 N / 1 Cl = 1 N / Cl.
Để rõ ràng, điện trường trong hình vẽ được mô tả bằng các đường sức.
|
|
|
|
|
Điện trường có thể thực hiện công làm di chuyển một điện tích từ điểm này sang điểm khác. Kể từ đây, một điện tích đặt tại một điểm cho trước trong điện trường có trữ lượng thế năng.
Đặc tính năng lượng của trường có thể được nhập tương tự như việc nhập đặc tính lực.
Khi kích thước của điện tích thử nghiệm thay đổi, không chỉ lực tác dụng lên nó cũng thay đổi mà cả thế năng của điện tích này cũng thay đổi. Tỷ số năng lượng của điện tích thử nghiệm nằm tại một điểm nhất định trong trường với giá trị của điện tích này là một giá trị không đổi và không phụ thuộc vào năng lượng hoặc điện tích.
Để có được đơn vị thế năng, cần thay thế đơn vị năng lượng - 1 J và điện tích - 1 C vào phương trình xác định thế năng. Chúng ta nhận được: [φ] = 1 J / 1 C = 1 V.
Đơn vị này có tên riêng: 1 volt.
Thế năng trường của điện tích điểm tỷ lệ thuận với độ lớn của điện tích tạo ra trường và tỷ lệ nghịch với khoảng cách từ điện tích đến một điểm cho trước trong trường:
|
|
|
Điện trường trong hình vẽ cũng có thể được biểu diễn bằng các bề mặt có điện thế bằng nhau, gọi là bề mặt đẳng thế .
Khi một điện tích di chuyển từ điểm có điện thế này đến điểm có điện thế khác thì công được thực hiện.
Một đại lượng vật lý bằng tỷ số giữa công thực hiện để di chuyển một điện tích từ điểm này sang điểm khác trong trường với giá trị của điện tích này được gọi là điện áp :
Điện áp cho biết điện trường thực hiện công bao nhiêu khi di chuyển một điện tích 1 C từ điểm này sang điểm khác trong điện trường.
Đơn vị của điện áp và điện thế là 1 V.
Điện áp giữa hai điểm trường nằm cách nhau một khoảng d có liên quan đến cường độ trường: 
|
|
|
Trong điện trường đều, công chuyển động của một điện tích từ điểm này sang điểm khác không phụ thuộc vào hình dạng quỹ đạo mà chỉ được xác định bởi độ lớn của điện tích và hiệu điện thế giữa các điểm của điện trường.
Theo định luật Coulomb, lực tương tác giữa hai vật tích điện đứng yên tỉ lệ thuận với tích các điện tích của chúng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.
Lực điện tương tác giữa các vật tích điện phụ thuộc vào độ lớn điện tích của chúng, kích thước của các vật thể, khoảng cách giữa chúng và cả vào các bộ phận của vật thể chứa các điện tích này. Nếu kích thước của các vật tích điện nhỏ hơn đáng kể so với khoảng cách giữa chúng thì những vật đó được gọi là vật điểm. Độ lớn tương tác giữa các vật tích điện điểm chỉ phụ thuộc vào độ lớn điện tích và khoảng cách giữa chúng.
Định luật mô tả sự tương tác của hai vật tích điện điểm được nhà vật lý người Pháp C. Coulomb xác lập khi ông đo lực đẩy giữa các quả cầu kim loại nhỏ tích điện giống nhau (xem Hình 34a). Việc lắp đặt Mặt dây chuyền bao gồm một sợi bạc mỏng đàn hồi (1) và một thanh thủy tinh nhẹ treo trên đó (2), ở một đầu của nó có gắn một quả cầu kim loại tích điện (3) và ở đầu kia là một đối trọng (4). Lực đẩy giữa quả cầu đứng yên (5) và quả cầu 3 dẫn đến sự xoắn của sợi dây ở một góc nhất định a, nhờ đó có thể xác định được độ lớn của lực này. Bằng cách đưa các quả bóng tích điện bằng nhau 3 và 5 lại gần và xa nhau hơn, Coulomb đã chứng minh được rằng lực đẩy giữa chúng tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.
Để chứng minh lực tương tác giữa các quả bóng phụ thuộc như thế nào vào độ lớn điện tích của chúng, Coulomb đã tiến hành như sau. Đầu tiên, anh ta đo lực tác dụng giữa các quả bóng tích điện giống hệt nhau 3 và 5, sau đó chạm một trong các quả bóng tích điện (3) vào một quả bóng khác, không tích điện có cùng kích thước (6). Coulomb đã tin một cách đúng đắn rằng khi những quả bóng kim loại giống hệt nhau tiếp xúc với nhau, điện tích sẽ được phân bố đều giữa chúng, và do đó chỉ một nửa điện tích ban đầu của nó sẽ còn lại trên quả bóng 3. Đồng thời, như thí nghiệm đã chỉ ra, lực đẩy giữa bi 3 và bi 5 giảm đi một nửa so với ban đầu. Bằng cách thay đổi điện tích của các quả bóng theo cách tương tự, Coulomb chứng minh được rằng chúng tương tác với một lực tỉ lệ với tích các điện tích của chúng.
Kết quả của nhiều thí nghiệm, Coulomb đã xây dựng định luật xác định mô đun của lực F 12 tác dụng giữa hai vật điểm đứng yên có điện tích q 1 và q 2 nằm cách nhau một khoảng r:
trong đó k là hệ số tỷ lệ, giá trị của nó phụ thuộc vào hệ đơn vị được sử dụng và thường, vì những lý do liên quan đến lịch sử ra đời của hệ đơn vị, được thay thế bằng (4pe0)-1 (xem 34.1). e0 được gọi là hằng số điện. Vectơ lực F 12 hướng dọc theo đường thẳng nối các vật thể, sao cho các vật nhiễm điện trái dấu hút nhau và các vật nhiễm điện cùng dấu đẩy nhau (Hình 34b). Định luật này (xem 34.1) được gọi là định luật Coulomb, và các lực điện tương ứng được gọi là lực Coulomb. Định luật Coulomb, cụ thể là sự phụ thuộc của lực tương tác vào lũy thừa bậc hai của khoảng cách giữa các vật tích điện, vẫn đang được xác minh bằng thực nghiệm. Hiện nay người ta đã chứng minh rằng số mũ trong định luật Coulomb có thể khác hai không quá 6,10-16.
Đơn vị SI của điện tích là coulomb (C). Điện tích 1 C bằng điện tích truyền qua tiết diện của dây dẫn trong 1 s ở cường độ dòng điện 1 ampe (A). Trong hệ SI
k = 9,109 Nm 2 / Cl 2 và e0 = 8,8,10-12 Cl 2 / (N.m 2) (34,2)
Điện tích cơ bản e trong SI là:
e = 1.6.10 -19 Cl. (34.3)
Về hình thức, định luật Coulomb rất giống với định luật vạn vật hấp dẫn (11.1), nếu trong định luật sau chúng ta thay thế khối lượng bằng điện tích. Tuy nhiên, mặc dù có sự giống nhau về bên ngoài nhưng lực hấp dẫn và lực Coulomb khác nhau ở chỗ
1. Lực hấp dẫn luôn hút các vật thể, và lực Coulomb vừa có thể hút vừa có thể đẩy các vật thể,
2. Lực Coulomb mạnh hơn lực hấp dẫn rất nhiều, ví dụ lực Coulomb đẩy hai electron ra xa nhau lớn gấp 1042 lần lực hấp dẫn của chúng.
Câu hỏi ôn tập:
· Vật tích điện điểm là gì?
· Mô tả các thí nghiệm mà Coulomb đã thiết lập định luật mang tên ông?
Cơm. 34. (a) - Sơ đồ bố trí thí nghiệm Coulomb để xác định lực đẩy giữa các điện tích cùng loại; (b) – để xác định độ lớn và hướng tác dụng của lực Coulomb bằng công thức (34.1).
§ 35. LĨNH VỰC ĐIỆN. CĂNG THẲNG. Nguyên tắc chồng chất trường.
Định luật Coulomb cho phép chúng ta tính lực tương tác giữa hai điện tích, nhưng không giải thích được cách một điện tích tác dụng lên điện tích khác. Chẳng hạn, sau bao lâu, một trong hai điện tích có “cảm thấy” rằng điện tích kia đã bắt đầu tiến lại gần hoặc di chuyển ra xa nó? Các khoản phí có được kết nối theo bất kỳ cách nào không? Để trả lời những câu hỏi này, các nhà vật lý vĩ đại người Anh M. Faraday và J. Maxwell đã đưa ra khái niệm điện trường - một vật chất tồn tại xung quanh các điện tích. Do đó, điện tích q1 tạo ra một điện trường xung quanh nó và một điện tích q2 khác, khi ở trong trường này, chịu tác dụng của điện tích q1 theo định luật Coulomb (34.1). Hơn nữa, nếu vị trí của điện tích q1 thay đổi thì sự thay đổi điện trường của nó sẽ xảy ra dần dần chứ không phải ngay lập tức, do đó ở khoảng cách L tính từ q1 thì điện trường thay đổi sẽ xảy ra sau một khoảng thời gian L/c, trong đó c là tốc độ ánh sáng, 3,108 m/s. Sự thay đổi trễ trong điện trường chứng tỏ sự tương tác giữa các điện tích phù hợp với lý thuyết tương tác tầm ngắn. Lý thuyết này giải thích bất kỳ sự tương tác nào giữa các vật thể, ngay cả những vật thể ở xa nhau, bởi sự tồn tại của bất kỳ vật thể vật chất hoặc quá trình nào giữa chúng. Vật tương tác giữa các vật tích điện là điện trường của chúng.
Để mô tả đặc điểm của một điện trường nhất định, chỉ cần đo lực tác dụng lên một điện tích điểm ở các vùng khác nhau của điện trường này là đủ. Các thí nghiệm và định luật Coulomb (34.1) chứng tỏ rằng lực tác dụng lên một điện tích từ trường tỉ lệ với độ lớn của điện tích này. Do đó, tỉ số giữa lực F tác dụng lên một điện tích tại một điểm cho trước trong điện trường với độ lớn của điện tích q này không còn phụ thuộc vào q và là một đặc tính của điện trường, gọi là cường độ của nó, E:
Cường độ điện trường, như sau (35.1), là một vectơ có hướng trùng với hướng của lực tác dụng lên điện tích dương tại một điểm cho trước trong điện trường. Từ định luật Coulomb (34.1), suy ra mô đun cường độ trường E của điện tích điểm q phụ thuộc vào khoảng cách r tới nó như sau:
Vectơ lực căng tại các điểm khác nhau của điện trường mang điện tích dương và âm được biểu diễn trên hình 2. 35a.
Nếu điện trường được hình thành bởi một số điện tích (q 1, q 2, q 3, v.v.), thì như kinh nghiệm cho thấy, cường độ E tại bất kỳ điểm nào trong trường này bằng tổng cường độ E 1, E 2, E 3, v.v. điện trường lần lượt được tạo bởi các điện tích q 1, q 2, q 3, v.v.:
Đây là nguyên lý chồng chất (hay chồng chất) của trường, cho phép chúng ta xác định cường độ trường được tạo ra bởi một số điện tích (Hình 35b).
Để chỉ ra cường độ trường thay đổi như thế nào trong các vùng khác nhau của nó, người ta vẽ các đường lực - các đường liên tục, các tiếp tuyến tại mỗi điểm trùng với vectơ cường độ (Hình 35c). Các đường sức không thể cắt nhau vì tại mỗi điểm vectơ cường độ trường có một hướng rất cụ thể. Chúng bắt đầu và kết thúc trên các vật tích điện, gần đó mô đun lực căng và mật độ của các đường sức tăng lên. Mật độ của các đường sức tỷ lệ thuận với mô đun cường độ điện trường.
Câu hỏi ôn tập:
· Điện trường là gì và nó liên quan như thế nào đến lý thuyết tác dụng ngắn hạn?
· Xác định cường độ điện trường.
· Xây dựng nguyên lý chồng chất trường.
· Các đường trường tương ứng với cái gì và tính chất của chúng là gì?
Cơm. 35. (a) - vectơ cường độ tại các điểm khác nhau của điện trường mang điện tích dương (trên) và điện tích âm (dưới); Các vectơ cường độ (b) và các vectơ giống nhau cùng với các đường sức (c) của điện trường của hai điện tích điểm khác dấu.
§ 36. DÂY VÀ ĐIỆN LẠNH TRONG TRƯỜNG TĨNH ĐIỆN.