Cơ sở của Tĩnh điện học là Định luật Cu-lông

- Năng lượng điện trường.



2. Các định luật:

Định luật Cu-lông, định luật bảo toàn điện tích.



3. Thuyết electron

4. Nguyên lý chồng chất điện trường

5. Ứng dụng trong kỹ thuật:

- Công nghệ sơn tĩnh điện

- Thiết bị lọc bụi tĩnh điện

- Ống phóng điện tử

- Máy sao chép quang học (photocopy)

- Màn chắn điện

- Cột chống sét

- Ứng dụng của tụ điện trong các mạch điện tử và trong y tế



IV. PHÂN TÍCH NỘI DUNG KIẾN THỨC

1. Tĩnh điện học

Tĩnh điện học (điện tích, điện trường) là một phần của điện học nghiên cứu sự tương tác và điều

kiện cân bằng của các hạt (hay vật) mang điện ở trạng thái đứng yên đối với hệ quy chiếu quán tính.

Hệ quy chiếu gồm: vật được chọn làm mốc, hệ tọa độ và đồng hồ gắn liền với nó; dùng để xác định

vị trí của vật khác.

Hệ quy chiếu = Hệ toạ độ gắn với vật mốc + đồng hồ và gốc thời gian

Hệ quy chiếu quán tính là hệ quy chiếu trong đó các định luật Niutơn được nghiệm đúng.



2. Điện tích

Hiện nay, điện tích được phát biểu theo nhiều cách khác nhau:



♦ Điện tích là một đại lượng vô hướng, là một thuộc tính không thể tách rời hạt vật chất và tồn tại

dưới dạng các hạt sơ cấp mang điện (có những hạt sơ cấp không mang điện) nhưng không thể có điện

tích không gắn liền với hạt sơ cấp. Vì vậy nói điện tích ở ngoài hạt là không có nghĩa .[9]

Hạt sơ cấp (còn được gọi là hạt cơ bản) là những thực thể vi mô tồn tại như một hạt nguyên vẹn,

đồng nhất, không thể tách thành các phần nhỏ hơn; ví dụ như các hạt photon, electron, positron,

neutrino…

♦ Điện tích của một hạt là một trong những thuộc tính cơ bản nhất của hạt.[5]

Vậy điện tích được định nghĩa:

♦ Điện là một thuộc tính của vật nhiễm điện và điện tích là số đo độ lớn thuộc tính đó.

Quy ước có hai loại điện tích: điện tích âm và điện tích dương. Điện tích dương là loại điện tích

giống điện tích xuất hiện trên thanh thuỷ tinh sau khi cọ xát nó vào lụa, còn điện tích âm giống điện tích

xuất hiện trên thanh êbônit sau khi cọ xát nó vào dạ. Các nhà vật lý cho rằng hai dạng điện tích là sự biểu

hiện các mặt đối lập của cùng một đặc tính nào đó của hạt; cũng như việc tồn tại “bên phải” và “bên

trái” là sự biểu hiện các mặt đối lập của tính đối xứng không gian.[5]

Điện tích của một vật vĩ mô là tổng đại số của tất cả các điện tích tương ứng của các hạt phần tử

cấu thành nên vật đó.

Điện tích là một đại lượng bất biến tương đối tính, điều đó có nghĩa là vật (hoặc hạt) mang điện

tích q khi đứng yên, thì vật sẽ mang điện tích q như vậy khi chuyển động. [8]

Điện tích có tính chất “ lượng tử hoá”. Trong tự nhiên điện tích tồn tại dưới dạng những lượng

rời rạc nhất định (lượng tử) chứ không biến thiên liên tục. Trong lý thuyết cổ điển không kể đến sự

lượng tử hoá điện tích. Lý do là “lượng tử” điện tích là những lượng rất bé so với mật độ điện tích vĩ mô

của hạt mang điện. [5]

Sự có mặt của điện tích ở các hạt cơ bản làm cho các vật hay các hạt mang điện tương tác điện

từ với nhau.

Electron là điện tích âm có độ lớn e = 1,6.10-19C và khối lượng 9,1.10-31 kg.

Proton mang điện tích dương +e, có khối lượng bằng 1,67.10 -27 kg.



Proton và electron đều có trong thành phần cấu tạo nguyên tử của mọi chất. Proton nằm trong

hạt nhân nguyên tử, còn các electron chuyển động xung quanh hạt nhân đó.

Electron hoá trị hay electron ngoài cùng là những electron ở các orbital ngoài cùng và có thể

tham gia vào các liên kết của nguyên tử.



Hình 2.1: Nguyên tử He gồm 2 prôtôn

+ 2 nơtron trong hạt nhân và

2electron hoá trị



Pozitron được Anđecxơn phát hiện ra năm 1932 khi bắn một chùm electron hay proton có năng

lượng vài MeV qua một bảng kim loại mỏng. Pozitron có khối lượng bằng khối lượng electron, mang

điện tích dương và có độ lớn bằng độ lớn điện tích electron.

Pozitron e+ là phản hạt của electron e-. Mọi hạt cơ bản đều có phản hạt tương ứng, phản hạt có

cùng khối lượng như hạt, nhưng có điện tích ngược dấu. Quan hệ giữa hạt và phản hạt hoàn toàn đối

xứng, e+ là phản hạt của e-, tức cũng có nghĩa e- là phản hạt của e+.

Ở trạng thái bình thường, nguyên tử trung hoà về điện; số proton và số electron trong một

nguyên tử luôn bằng nhau (bằng số thứ tự Z của nguyên tố đang xét trong bảng tuần hoàn Menđêleep) .

Do đó tổng đại số của các điện tích trong một nguyên tử bằng không. Nếu nguyên tử mất đi một hay

nhiều electron, nó sẽ trở thành một phần tử mang điện tích dương; khi đó nguyên tử được gọi là ion

dương. Ngược lại, nếu nguyên tử nhận thêm electron nó sẽ trở thành một phần tử mang điện tích âm;

khi đó nguyên tử gọi là ion âm.



Hình 2.2: Mô hình đơn giản của nguyên tử liti



Hình 2.3: Mô hình đơn giản của ion dương liti



Hình 2.4: Mô hình đơn giản của ion âm liti



Trong những năm gần đây, nhiều công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã chứng tỏ

khả năng tồn tại những hạt nhỏ hơn các hạt sơ cấp đã biết gọi là những hạt quác, các leptôn và các hạt

truyền tương tác. Mặc dầu cho đến nay chưa hề phát hiện được hạt quác tồn tại ở trạng thái tự do,

nhưng có nhiều cơ sở vững chắc để tin rằng chúng quả thật tồn tại mang điện tích nhỏ hơn điện tích của

electron.

Ví dụ: Các nhà vật lý ở Belle làm việc tại

Phòng thí nghiệm KEK (Nhật Bản) vừa phát hiện một

hạt cơ bản mới với những bằng chứng hết sức

thuyết phục rằng có một số meson chứa tới bốn hạt

quark thay vì hai quark như các hạt thông thường.

Hì

nh 2.5



Điện tích của một vật được phát hiện nhờ điện nghiệm. Khi một vật nhiễm điện chạm vào núm

kim loại của điện nghiệm thì điện tích truyền đến hai lá kim loại

sẽ làm cho hai lá kim loại xoè ra.



Hình 2.6: Điện nghiệm

☺ Lưu ý: Học sinh đã học được khái niệm điện tích và sự tương tác giữa chúng một cách sơ lược

và định tính ở THCS. Việc đào sâu quan niệm về mặt định lượng của tương tác là hết sức cần thiết.

Nói “có một điện tích…” cũng vô nghĩa như khi nói “có một khối lượng…” và chúng ta

nên hiểu đó là cách nói tắt. Thực ra phải nói “một vật có điện tích…” cũng như “một vật có khối lượng…”

[9]



3. Vật dẫn, điện môi

Theo tính chất dẫn điện, người ta phân biệt hai loại vật : vật dẫn và điện môi.

Vật dẫn là những vật có nhiều hạt mang điện có thể di chuyển được trong những khoảng cách

lớn hơn nhiều lần kích thước phân tử của vât. Những hạt đó gọi là các điện tích tự do.

Những vật dẫn điện được chia thành vật dẫn điện loại 1 và loại 2.

Vật dẫn điện loại 1 là vật dẫn mà sự di chuyển của các điện tích trong vật không gây ra một biến

đổi hoá học của chúng và cũng không gây ra một sự dịch chuyển nào có thể nhận thấy được của vật

chất. Ví dụ kim loại, bán dẫn…

Vật dẫn điện loại 2 là vật dẫn mà sự dịch chuyển của các điện tích trong vật gắn liền với sự biến

đổi hoá học, dẫn đến sự thoát ra những thành phần vật chất tại chỗ tiếp xúc của chúng với các vật dẫn

điện khác. Ví dụ dung dịch muối, axít, bazơ…

Vật điện môi là những vật có chứa rất ít điện tích tự do.



Điện môi được phân thành hai loại: Điện môi có cực (nước, hidroclorua…) và điện môi không có

cực (hiđrô, ôxi…).

Một chất điện môi được đặt trong điện trường thì điên môi bị phân cực.

Sự phân chia ra vật dẫn và điện môi chỉ có tính chất quy ước. Trong những điều kiện nhất định,

vật nào cũng có thể dẫn điện, chúng chỉ khác nhau ở chỗ dẫn điện tốt hay không tốt. Bên cạnh còn có

một nhóm chất có tính chất dẫn điện trung gian giữa vật dẫn và điện môi. Đó là các chất bán dẫn (Si,

Ge…). Ngoài ra đối với kim loại, khi ở một nhiệt độ tới hạn nào đó nó trở thành chất siêu dẫn (như nhôm

ở nhiệt độ 1,19K, kẽm ở 0,85K…)



Chất cách điện là chất dẫn điện kém, có điện trở suất rất lớn (khoảng 10 6 – 1015



Ω



m). Các vật



liệu này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong đời sống, nhằm mục đích ngăn chặn sự tiếp

xúc của dòng điện với người hoặc với các dòng điện khác.

Nhiều chất cách điện là chất điện môi, tuy nhiên cũng có những môi trường cách điện không

phải chất điện môi (như chân không).



4. Thuyết electron cổ điển và sự nhiễm điện

4.1. Thuyết electron cổ điển

Thuyết electron là thuyết dựa trên sự chuyển dời của electron để giải thích các hiện tượng điện.

Thuyết electron ra đời vào cuối thế kỷ thứ XIX, sau khi electron được phát hiện nhờ các công

trình nghiên cứu của Stoney, Plucker, crookes, Schuster và đặc biệt là của Thomson và Millican.

Cơ sở của thuyết là quan niệm về cấu tạo hạt vật chất được hình thành trong thuyết động học

phân tử. Tiếp đến là các công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về điện và từ như định luật Culông, định luật Ôm, các khái niệm về điện thế, hiệu điện thế…Nhưng cơ sở quan trọng nhất là việc phát

hiện ra electron.

Tư tưởng cơ bản của thuyết là quan niệm về tính gián đoạn của điện. Định luật cơ bản là định

luật Cu-lông và rộng hơn nữa là hệ phương trình Maxwell.

Hằng số cơ bản của thuyết là điện tích của electron.



Thuyết electron dẫn đến nhiều hệ quả quan trọng, giải thích được các hiện tượng nhiễm điện và

tính chất điện của các vật.Trên cơ sở của thuyết electron cổ điển, nhiều thuyết vật lý mới ra đời như

thuyết electron về sự dẫn điện trong các môi trường, thuyết electron về tán sắc ánh sáng, thuyết

electron về sự phát xạ…[9]

Nội dung thuyết electron trong việc giải thích sự nhiễm điện của các vật:

- Bình thường tổng đại số các điện tích trong nguyên tử bằng không, nguyên tử trung hoà về

điện.

Nếu nguyên tử bị mất đi một số electron thì tổng đại số các điện tích trong nguyên tử là một số

dương, nó là một ion dương. Ngược lại nếu nguyên tử nhận thêm một số electron thì nó là ion âm.

- Khối lượng của electron rất nhỏ nên độ linh động của chúng rất lớn. Vì vậy, do một số điều kiện nào đó

(cọ xát, tiếp xúc, nung nóng,...) một số electron có thể bứt ra khỏi nguyên tử, di chuyển trong vật hay di

chuyển từ vật này sang vật khác. Electron di chuyển từ vật này sang vật khác làm cho các vật nhiễm

điện. Vật nhiễm điện âm là vật thừa electron, vật nhiễm điện dương là vật thiếu electron.[6]

4.2. Thành công của thuyết electron cổ điển

4.2.1. Giải thích được tính dẫn điện của kim loại:

Khi không có điện trường ngoài (do chuyển động nhiệt) khí electron chuyển động hỗn độn vạch ra

các quỹ đạo gần giống như các phân tử khí; lượng electron trung bình chuyển động bất kỳ về chiều nào

cũng bằng lượng electron chuyển động theo chiều ngược lại. Nghĩa là khi không có điện trường ngoài,

điện tích tổng cộng mang bởi các electron theo một chiều nào đó bằng không. Do đó trong kim loại

không có dòng điện.

Khi có điện trường ngoài các electron chuyển động theo một hướng xác định. Vì vậy khi có điện

trường ngoài, chuyển động thực của electron bao gồm chuyển động định hướng và chuyển động hỗn

độn và do đó xuất hiện chiều ưu tiên trong chuyển động của các electron. Trong trường hợp này lượng

electron chuyển động ngược chiều điện trường lớn hơn lượng electron chuyển động cùng chiều điện

truờng; khi đó có sự dịch chuyển điện tích, nghĩa là có xuất hiện dòng điện.



4.2.2. Giải thích nguyên nhân gây ra điện trở.



Trong chuyển động có hướng, các electron tự do luôn luôn va chạm với các ion nằm ở các nút

mạng. Giữa hai lần va chạm liên tiếp, các electron chuyển động có gia tốc dưới tác dụng của lực điện

trường và có một năng lượng xác định (ngoài năng lượng của chuyển động nhiệt). Năng lượng của

chuyển động có hướng đó được truyền hoàn toàn hay một phần cho các ion dương khi va chạm và biến

thành năng lượng của dao động hỗn độn của các ion, tức là biến thành nhiệt. Vì vậy khi có dòng điện

chạy qua, kim loại nóng lên. Ngay sau khi trường ngoài không còn nữa, chuyển động có hướng của các

electron sẽ chuyển thành chuyển động nhiệt hỗn độn và dòng điện ngừng lại. Như vậy chuyển động có

hướng của các electron trong kim loại xảy ra với ma sát do các va chạm gây ra.Ta thấy nguyên nhân gây

ra điện trở là sự va chạm của các electron tự do và các ion dương của mạng tinh thể kim loại.

Các kim loại khác nhau có cấu trúc mạng tinh thể khác nhau. Do đó tác dụng “ngăn cản” chuyển

động có hướng của các electron trong mạng tinh thể khác nhau là khác nhau. Đó là lý do khiến cho điện

trở suất của kim loại khác nhau thì khác nhau.

Điện trở kim loại còn phụ thuộc và nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng các ion kim loại nằm ở nút mạng

dao động mạnh lên: xác suất va chạm của các electron tự do với ion càng lớn lên. Vì vậy điện trở kim

loại tăng khi nhiệt độ tăng.



4.2.3. Giải thích ba hiện tượng nhiễm điện

4.2.3.1 Sự nhiễm điện giữa các vật

Nhiễm điện do cọ xát

Sau khi cọ xát vào lụa (len) thanh thuỷ tinh có thể hút được các mẫu giấy vụn. Thanh thuỷ tinh

đã được nhiễm điện do cọ xát (hoặc cọ xát lông thú vào gỗ khô).



Hình 4.1



Khi khảo sát sự nhiễm điện của nhiều loại thuỷ tinh thì rằng đa số thuỷ tinh khi cọ xát vào dạ thì

nhiễm điện dương. Tuy nhiên cũng có loại thuỷ tinh khi cọ xát vào dạ lại nhiễm điện âm. Điều này phụ

thuộc vào tạp chất mà pha vào thuỷ tinh.

Các loại nhựa khi cọ xát vào dạ thường nhiễm điện âm. Tuy nhiên, cũng có loại nhựa khi cọ xát

vào dạ lại nhiễm điện dương.[7]

Nhiễm điện do tiếp xúc

Đưa thanh kim loại không chưa nhiễm điện chạm vào quả cầu đã nhiễm điện thì thanh kim loại

nhiễm điện cùng dấu với điện tích của quả cầu. Thanh kim loại đã được nhiễm điện do tiếp xúc. Đưa

thanh kim loại ra xa quả cầu thì thanh kim loại vẫn nhiễm điện.



Nhiễm điện do hưỏng ứng

Đưa thanh kim loại chưa nhiễm điện đến gần quả cầu đã nhiễm điện nhưng không chạm vào

quả cầu, thì hai đầu thanh kim loại được nhiễm điện. Đầu gần quả cầu hơn nhiễm điện trái dẫu với điện

tích của quả cầu, đầu xa hơn nhiễm điện cùng dấu với điện tích của quả cầu. Hiện tượng đó được gọi là

hiện tường hưởng ứng tĩnh điện, gọi tắt là hiện tượng điện hưởng.Thanh kim loại được nhiễm điện do

hưởng ứng. Đưa thanh kim loại ra xa quả cầu thì thanh kim loại lại trở về trạng thái không nhiễm điện

như lúc đầu.



Hình 4.3: Nhiễm điện do tiếp xúc



Hình 4.4

4.2.3.2. Giải thích ba hiện tượng nhiễm diện

Nhiễm điện do cọ xát



Cơ chế của hiện tượng nhiễm điện do cọ xát rất phức tạp, có nhiều điểm đến nay vẫn còn chưa

rõ ràng.

Ở trình độ PTTH, người ta thừa nhận cách giải thích hiện tượng nhiễm điện do cọ xát là kết quả

của sự di chuyển của electron từ vật này sang vật kia.

Nhiễm điện do tiếp xúc

Khi thanh kim loại trung hoà về điện tiếp xúc với quả cầu nhiễm điện âm, thì một phần trong số

electron thừa ở quả cầu di chuyển sang thanh kim loại. Vì thế thanh kim loại cũng thừa electron. Do đó

thanh kim loại nhiễm điện âm.

Ngược lại, nếu thanh kim loại trung hoà điện tiếp xúc với quả cầu nhiễm điện dương, thì một số

electron tự do từ thanh kim loại sẽ di chuyển sang quả cầu. Vì thế thanh kim loại trở thành thiếu

electron. Do đó, thanh kim loại nhiễm điện dương.



Hình 4.5: Nhiễm điện do tiếp xúc



Nhiễm điện do hưởng ứng

Thanh kim loại trung hoà điện đặt gần quả cầu nhiễm điện âm, thì các electron tự do trong

thanh kim loại bị đẩy ra xa quả cầu. Do đó đầu thanh kim loại xa quả cầu thừa electron, nên nhiễm điện

âm. Đầu thanh kim loại gần quả cầu thiếu electron, nên nhiễm điện dương.

Thanh kim loại đặt gần quả cầu nhiễm điện dương thì electron tự do trong thanh kim loại bị hút

lại gần quả cầu. Do đó, đầu thanh gần quả cầu thừa electron nên nhiễm điện âm, còn đầu kia thiếu

electron nên nhiễm điện dương.