II.2.Tương tác điện từ - thuyết trường điện từ

II.2.1.Tương tác tĩnh điện

II.2.1.1.Điện tích - Định luật bảo toàn điện tích

Bằng nhiều thí nghiệm chúng ta nhận thấy có 2 loại điện: “điện thủy tinh” sinh ra trong thủy tinh, ngọc thạch len dạ khi có ma sát và “điện nhựa cây” sinh ra trong nhựa cây, hổ phách tơ lụa.

Giả sử chúng ta chọn “điện thủy tinh” là đại diện của loại A, và “điện thủy tinh” đại diện cho loại B. Và 2 loại điện tích này hút nhau. Bây giờ chúng ta sẽ thấy là không có “loại C”. Bất kì vật nào được làm cho nhiễm điện bằng bất cứ phương pháp nào thuộc loại A, hút các vật mà A hút và đẩy các vật mà A đẩy, hoặc là thuộc loại B, có cùng tính chất hút và đẩy như B. Hai loại, A và B, luôn luôn biểu hiện tương tác ngược nhau. Nếu như A biểu hiện lực hút đối với một số vật tích điện, thì B chắc chắn sẽ đẩy nó ra xa, và ngược lại.

Như vậy đến đây chúng ta có thể khẳng định chính xác rằng chỉ có 2 loại nhóm đó là nhóm“điện nhựa cây” và nhóm “điện thủy tinh”.

Nhà bác học Benjamin Franklin (1706-1790) đã đề nghị gọi hai loại điện tích đó lần lượt là điện tích âm và điện tích dương, và các tên đó vẫn đang được sử dụng ngày nay. Điện tích dương là nhóm “điện thủy tinh” và điện tích âm là nhóm “điện nhựa cây”. Hai điện tích dương hoặc hai điện tích âm đẩy nhau. Một điện tích dương và một điện tích âm hút nhau.



Hình trên chỉ ra hai thanh nhựa dẻo và một tấm da thú. Sau khi chúng ta tích điện cho mỗi thanh nhựa bằng cách cọ sát nó với tấm da thú đó, thì chúng ta thấy rằng các thanh nhựa đó sẽ đẩy nhau (hình b). Khi chúng ta cọ sát các thanh thuỷ tinh (hình c) với một tấm lụa, thì các thanh thuỷ tinh đó cũng trở nên bị nhiễm điện và đẩy nhau (hình d). Nhưng một thanh nhựa bị nhiễm điện lại hút một thanh thuỷ tinh bị nhiễm điện (hình e). Hơn thế nữa, thanh nhựa dẻo và tấm da thú đó lại hút nhau, và thanh thuỷ tinh và tấm lụa đó cũng hút nhau (hình f).

II.2.1.2.Điện tích và cấu trúc của vật chất

Để trả lời câu hỏi này, chúng ta phải xem xét tỉ mỉ, chi tiết hơn nữa cấu trúc và các đặc tính điện của các nguyên tử, loại tạo lên tất cả các loại vật chất thông thường. Cấu trúc của các nguyên tử có thể được mô tả dưới dạng ba loại hạt: electron mang điện tích âm, proton mang điện tích dương, và notron không mang điện.

Các proton và các notron trong một nguyên tử cấu thành một lõi nhỏ rất đậm đặc được gọi là hạt nhân, với kích thước vào khoảng 10^-15 m. Xung quanh hạt nhân là các electron, trải rộng tới những khoảng cách vào khoảng 10^-10m từ hạt nhân. Nếu một nguyên tử có kích thước khoảng một vài km, thì hạt nhân của nó sẽ có kích thước của một quả bóng tenis.

Với sự chính xác được biết hiện nay, khối lượng của các hạt riêng lẻ đó là:

Khối lượng của electron m_e = 9,10938188(72).10^-31 kg

Khối lượng của proton m_p = 1,67262158(13).10^-27kg

Khối lượng của notron m_n = 1,67492716(13).10^-27kg

Điện tích âm của electron (trong phạm vi sai số thực nghiệm) chính xác có cùng độ lớn với điện tích dương của proton.

Trong một nguyên tử trung hoà thì số electron bằng số proton trong hạt nhân, và điện tích tổng cộng (tổng đại số của tất cả các điện tích) đúng bằng không.



Một nguyên tử trung hoà có số electron bằng số proton.

Một iôn dương có sự hụt thiếu về các electron.

Một iôn âm thừa các electron

Khi số proton tổng cộng trong một vật vĩ mô bằng số electron tổng cộng, thì điện tích tổng cộng bằng không và toàn bộ vật đó là trung hoà về điện.

Để cho một vật thừa điện tích âm, có thể chúng ta hoặc thêm các điện tích âm vào một vật trung hoà hoặc lấy đi các điện tích dương từ vật đó. Tương tự như vậy, chúng ta có thể tạo ra một sự thừa điện tích dương hoặc bằng thêm điện tích dương vào hoặc lấy đi điện tích âm.

Trong hầu hết các trường hợp, các electron mang điện tích âm (có tính linh động cao) được thêm vào hoặc lấy đi, và một “vật mang điện tích dương” là một vật đã mất đi một số electron bổ sung thông thường của nó.

Ẩn ý trong phần thảo luận đã nói ở trên là hai định luật rất quan trọng. Đầu tiên là định luật bảo toàn điện tích: Tổng đại số của tất cả các điện tích trong bất kỳ một hệ cô lập (hệ kín) nào là không thay đổi.

Nếu chúng ta cọ sát một thanh nhựa và một tấm da lông thú với nhau, cả hai ban đầu không mang điện, thì thanh nhựa sẽ nhận được điện tích âm (bởi vì nó lấy các electron từ tấm da lông thú) và tấm da nhận điện tích dương có cùng độ lớn (bởi vì nó đã mất số electron bằng số electron mà thanh nhựa đó nhận được). Do đó, điện tích tổng cộng trên hai vật đó lại với nhau là không thay đổi. Trong bất kể quá trình tích điện nào, điện tích không được tạo ra hoặc bị triệt tiêu mà nó chỉ được chuyển từ vật này sang vật khác.

Định luật bảo toàn điện tích được hiểu là một định luật bảo toàn phổ biến. Không một bằng chứng thực nghiệm nào cho bất kể sự vi phạm định luật này từng được quan sát

Định luật quan trọng thứ hai đó là độ lớn điện tích của electron hay proton là một đơn vị tự nhiên của điện tích.

Mọi lượng điện tích có thể nhận thấy được luôn bằng một bội số nguyên lần đơn vị cơ bản đó. Chúng ta nói rằng điện tích bị lượng tử hoá. Điện tích không thể bị chia thành những lượng nhỏ hơn điện tích của một electron hay proton (các điện tích hạt quark, bằng và điện tích của electron, hầu như chắc chắn không thể thấy được với tư cách là các điện tích đơn lẻ). Do đó, điện tích trên bất kể vật vĩ mô nào luôn luôn hoặc bằng không hoặc bằng một bội số nguyên (âm hoặc dương) lần điện tích của electron.

II.2.1.3.Tương tác giữa 2 điện tích điểm - Định luật Coulomb

Như đã nói ở trên các vật có thể hút nhau có thể đẩy nhau, như vậy có một quy luật định luật vật lý nào chi phối sự hút hay đẩy giữa các vật hay không?

II.2.1.3.1Thí nghiệm đo lực điện

Nhà bác học Charles Augustin De Coulomb (1736 - 1806) nghiên cứu lực tương tác của các hạt mang điện một cách chi tiết vào năm 1784. Ông đã sử dụng một cái cân xoắn để nghiên cứu tương tác giữa 2 điện tích điểm.

Cấu tạo cân xoắn:

G
Cân xoắn

ồm một sợi dây mảnh bằng tơ tằm hoặc bằng kim loại đặt trong một ống thủy tinh ở vị trí thẳng đứng. Cuối sợi dây gắn một chiếc kim ngắn đặt nằm ngang, có thể quay trước những vạch chia độ khắc trên thành bình thủy tinh. Khi có một lực nhỏ tác động vào một hòn bi nhỏ gắn ở một đầu kim, nó làm cho kim quay một góc nhỏ và xoắn sợi dây lại. Khi lực xoắn cân bằng với lực tác dụng thì chiếc kim dừng lại. Theo định luật, góc xoắn tỉ lệ với lực tác dụng vì vậy khi xác định được các góc xoắn do hai lực khác nhau gây ra ta có thể so sánh được hai lực đó.

Kết quả thí nghiệm:

Năm 1785, Coulomb công bố những kết quả đầu tiên về phép đo lực đẩy của các điện tích bằng cân xoắn . Để khảo sát sự phụ thuộc này, Culomb đã chia một điện tích thành hai phần bằng nhau bằng cách đặt một vật dẫn hình cầu mang điện nhỏ tiếp xúc với một vật giống như vậy nhưng không mang điện; do tính chất đối xứng, điện tích được chia đều bằng nhau giữa hai quả cầu (lưu ý vai trò thiết yếu của định luật bảo toàn điện tích trong phương thức này). Theo cách đó, ông ta có thể nhận được một nửa, một phần tư và ... điện tích ban đầu. Ông đã thực hiện nhiều phép đo khác nhau và đã công bố kết quả của 3 lần đo, trong đó khi giữ các điện tích cùng dâu không đổi, và cho khoảng cách giữa chúng thay đổi theo tỉ lệ: 36: 18: 8,5 thì lực đẩy giữa chúng thay đổi theo tỉ lệ: 36: 144: 575, tức là lực đẩy giữa chúng gần đúng tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Coulomb đã giải thích sự sai khác đó là do trong quá trình tiến hành thí nghiệm một phần điện tích đã bị “rò” đi mất.

Sau đó Coulomb tiến hành đo lực hút. Phép đo này khó hơn, vì khi cho hai hòn bi nhỏ tích điện rất khó ngăn sao cho chúng khỏi chạm nhau. Dù sao sau nhiều lần thí nghiệm, ông cũng đi đến kết quả là lực hút của các điện tích cũng tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.

Cải tiến thí nghiệm

Những kết quả đó thật là đáng khích lệ, nhưng ông vẫn chưa hài lòng. Ông biết rằng định luật này có vai trò quan trọng như thế nào trong sự phát triển của điện học. Ông đã sử dụng và cải tiến phương pháp đo để tăng độ chính xác của phép đo hơn nữa. Phương pháp chính xác đó ngày nay được gọi là “phương pháp dao động”.

Chúng ta đã biết rằng khi con lắc dao động, tần số của nó phụ thuộc vào trọng lực tác dụng của con lắc. Giống như vậy tần số dao động của một cái kim tích điện dao động trong mặt phẳng nằm ngang cũng phụ thuộc vào lực điện tác dụng lên nó, thành thử khi đo được tần số dao động của kim, ta có thể xác định được lực điện tác dụng. Coulomb đã làm một chiếc kim nhỏ bằng chất cách điện, dao động trong mặt phẳng nằm ngang. Ở đầu kim có gắn mọt tấm kim loại nhỏ, đặt thẳng đứng và tích điện. Phía trước tấm kim loại có đặt một hòn bi nhỏ tích điện ngược dấu với nó. Khi cho kim dao động trong một thời gian đủ dài, có thể xác đinh được chính xác tần số dao động và tính ra lực điện tác dụng.

Phương pháp đo chính xác này đã khẳng định hoàn toàn định luật về sư phụ thuộc của lực điện theo tỉ lệ bình phương khoảng cách. Định luật này ngày nay chúng ta gọi là định luật Coulomb

II.2.1.3.2Định luật Coulomb:

Lực tương tác giữa hai điện tích điểm đứng yên trong chân không có phương nằm trên đường thẳng nối hai điện tích, có chiều đẩy nhau nếu hai điện tích cùng dấu và hút nhau nếu hai điện tích trái dấu, có độ lớn tỉ lệ thuận với tích độ lớn của hai điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng

Theo ngôn ngữ toán học, lực điện mà các điện tích điểm và cách nhau một khoảng r tác dụng lên nhau có thể biểu diễn dưới dạng:

Trong đó k là một hằng số tỷ lệ, trong hệ SI giá trị hằng số k là: . Giá trị số của k được xác định chính xác theo c là:

Hướng của các lực mà hai điện tích tác dụng lên nhau luôn luôn nằm dọc theo đường thẳng nối giữa chúng. Khi các điện tích và cùng dấu, hoặc cùng dương hoặc cùng âm, thì các lực là đẩy nhau khi các điện tích ngược dấu, thì các lực là hút nhau.

Sự tỷ lệ của lực điện với đã được kiểm tra với độ chính xác rất cao. Những kĩ thuật hiện đại tài tình cho phép dạng của định luật Coulomb được kiểm tra đến độ chính xác không thể tin nổi, cho thấy số mũ nằm trong khoảng từ 1,99999999999999998 đến 2,0000000000000002

Каталог: nonghocbucket -> UploadDocument server07 id24231 50525
UploadDocument server07 id24231 50525 -> Lời mở đầu 1 Chương 1: Sự phát triển của các hệ thống thông tin di động 3
UploadDocument server07 id24231 50525 -> ĐẠi học quốc gia thành phố HỒ chí minh trưỜng đẠi học kinh tế luậT
UploadDocument server07 id24231 50525 -> Chuyªn ®Ò tèt nghiÖp
UploadDocument server07 id24231 50525 -> Dự án vie/61/94 Hỗ trợ xúc tiến thương mại và phát triển xuất khẩu ở Việt Nam nguyên tắc marketing
UploadDocument server07 id24231 50525 -> MỤc lục phòng tổ chức nhân sự VÀ tiền lưƠng 11 phòng kiểm tra và kiểm toán nội bộ 12 trung tâm thông tin và CÔng nghệ tin họC 12
UploadDocument server07 id24231 50525 -> Tại các thị trường Nhật, eu, Hoa Kỳ
UploadDocument server07 id24231 50525 -> TÀi liệu tham khảo môn học tư TƯỞng hồ chí minh phần: Tập trích tác phẩm của Hồ Chí Minh TÀi liệU ĐỌc thêM
UploadDocument server07 id24231 50525 -> THỜi kì SƠ khai củA ĐIỆn từ HỌC: 2 những phát hiệN ĐẦu tiên về ĐIỆn và TỪ CỦa ngưỜi hy lạP: 2
UploadDocument server07 id24231 50525 -> MỤc lục danh mục bảng danh mục hình chưƠng I. TỔng quan về CÔng ty 1 SỰ HÌnh thành và phát triển của công ty

tải về 325.08 Kb.

Chia sẻ với bạn bè của bạn: