Năng lượng điện trường

Và giả sử đến thời điểm t vật tốc của vật là v 0 thì trong khoảng thời gian từ 0 đến ta có thê xem chuyển



vtb =

động của chất điểm là chuyển động đều với vận tốc trung bình



v0 at

=

2 2



. Do đó , quãng đường mà



chất điểm chuyển động được là:



s = v tb t =



v tb =

Nếu thay



at

2



v0

t

2



(11.3)



thì ta cũng có thể viết



s = v tb t =



at 2

2



(11.4)



v0

v0/2



0



t

v0



0



t

Về số thì s có thể biểu diễn bằng hình chữ nhật có gach chéo (ứng với công thức (11.3)) hay bằng



diện tích hình tam giác có gạch chéo (ứng với biểu thức (11.4))



Bài toán của ta ở đây cũng có thể phát biểu dưới dạng tương tự (về hình thức). Nếu có điện tícg

q chuyển động từ M đến N mà giữa hai điểm M, N có hiệu điện thế U không đổi thì điện tích thực hiện

công:

A = UQ



(11.1)



U

0



Q



Hệ thức này có dạng tương tự hệ thức (11.1), A, U, Q đóng vai trò của s, v, t tương ứng. Nếu U

không đổi thì giá trị bằng số A bằng diện tích hình chữ nhật có gạch chéo ở hình 11.5.



Hình 11.5

Bây giờ ta xét trường hợp hiệu điện thế U giữa hai bản tụ điện phụ thuộc điện tích Q của tụ điện

theo hệ thức:



U=



Q

C



Hệ thức này có dạng tương tự (11.2),



(



1

C



1

C



không đổi)



(11.6)



đóng vai trò của a trong công thức (11.2). Do đó khi



điện tích của tụ điện tằng từ 0 đến q ta cũng có thể xem như hiệu điện thế của tụ điện có giá trị trung



U tb =

bình:

(11.3).



U

Q

=

2

2C



A = U tb Q =

. Do đó công thức của điện tích:



U

Q

2



. Biểu thức này tương tự



U tb =

Nếu thay



Q

2C



A = U tb Q =

thì ta có thể viết:



Q2

2C



. Biểu thức này tương tự (11.4).



v0

0



t



v0

v0/2



0



t



Hình 11.6



Hình 11.7



Về số thì A có thể biểu diễn bằng hình chữ nhật có gạch chéo (hình 11.6) ứng với biểu thức



A = U tb Q =



A = U tb Q =



U

Q

2



hay bằng diện tích hình tam giác có gạch chéo (hình 11.7) ứng với biểu thức



Q2

2C



Năng lượng của tụ điện là :



W=



QU CU 2 Q 2

=

=

2

2

2C



(11.8)



11.2. Năng lượng điện trường

Khi tụ điện tích điện, cũng như một hệ điện tích bất kỳ, có một năng lượng xác định. Vậy năng

lượng ấy được giữ ở đâu? Có thể cho rằng năng lượng của tụ điện định xứ trên các bản của tụ điện.

Nhưng ta có thể trả lời khác. Khi tụ điện được tích điện, nó tạo ra giữa các bản một điện trường. Vậy

cũng có thể cho rằng năng lượng của tụ điện định xứ trong điện trường, tức là trong khoảng không gian

giữa các bản. Vậy cách trả lời nào là đúng?

Ở phần này ta, chỉ mới xét đến điện trường tĩnh gây bởi các điện tích đứng yên. Trong trường

hợp đó, điện tích luôn bị bao bọc xung quanh bởi điện trường, và ngược lại điện trường luôn gắn liền với

điện tích. Vì thế câu hỏi trên vẫn chưa được giải đáp.

Chúng ta thử xét đến điện trường biến thiên theo thời gian (trường điện từ). Trường điện từ

bao gồm điện trường và từ trường biến thiên theo thời gian, truyền đi trong không gian với vận tốc xác

định dưới dạng sóng điện từ. Trong trường hợp này, điện trường sinh ra có thể không cần sự có mặt của

các điện tích. Thực nghiệm chứng tỏ rằng điện từ trường có chứa và mang theo năng lượng (đã được

ứng dụng nhiều trong thông tin liên lạc và các mục đích khác). Sự tồn tại của điện từ trường và năng

lượng của nó đã giúp ta trả lời vấn đề ở trên, và kết luận được rằng: năng lượng định xứ trong khoảng

không gian có điện trường. Năng lượng này là thuộc tính của vật chất. Vì vậy, năng lượng của tụ điện

chính là năng lượng của điện trường trong tụ điện.[7]

W=



Dựa vào nhận định đó, ta biến đổi



QU CU 2 Q 2

=

=

2

2

2C



để trong biểu thức năng lượng của tụ



điện có xuất hiện những đặc trưng của điện trường. Để đơn giản ta xét trường hợp tụ điện phẳng thì

trong tụ điện có điện trường. [gtđiện đc]

V=Sd là thể tích khoảng không gian giữa hai bản tụ điện phẳng

Từ các công thức



C=



εS

9.10 9 .4πd



và



U

E =

d



⇒



CU 2

εSE 2 d 2

εE 2

W=

=

=

V

2

9.10 9.8πd 9.10 9 8π



(11.9)



Vì điện trường trong tụ điện phẳng là điện trường đều, nên năng lượng điện trường trong một

đơn vị thể tích, goi là mật độ năng lượng điện trường :



εE 2

w=

9.10 9 8π



(11.10)



Kết luận nói trên không chỉ đúng đối với điện trường của tụ điện phẳng mà cũng đúng với

trường hợp chung.



12. Ứng dụng trong kỹ thuật

12.1. Ứng dụng của lực tương tác điện trong kỹ thuật

► Máy lọc bụi

Sơ đồ lọc bụi này có thể lọc đến 95% bụi trong không khí



Sơ đồ máy lọc bụi



Không khí có nhiều bụi được quạt vào máy qua lớp lọc bụi thông thường để lọc các bụi có kích

thước lớn. Dòng không khí lẫn các hạt bụi nhỏ khi bay qua lưới 1 các hạt bụi nhiễm điện dương. Do đó

khi gặp lưới 2 nhiễm điện âm, các hạt bụi bị hút vào lưới. Vì vậy qua lưới 2, không khí đã lọc sạch bụi.

Sau đó không khí đi qua lớp lọc bằng than để khử mùi.

► Công nghệ sơn tĩnh điện

Trong công nghệ này, mũi của súng phun làm

bằng kim loại và được nối với cực dương của một máy

phát tĩnh điện. Cực âm của máy được nối với vật cần

sơn. Các hạt sơn này bay ra khỏi súng phun sẽ được

nhiễm điện dương và bị hút về phía vật cần sơn. So với

lớp sơn phun bình thường thì lớp sơn phun tĩnh điện sẽ bám chắc hơn vì có thêm lực điện hút các hạt

sơn vào vật cần sơn. Trong công nghệ này vật

sơn phải bằng kim loại.

► Ống phóng điện tử

Chùm tia êlectron do súng êlectron phát ra,

được điều chỉnh cho đi qua khoảng không

giữa hai bộ bản cực Y1, Y2 và X1, X2 rồi đập vào

màn huỳnh quang giữ ở điện áp cao. Dùng

điện trường giữa hai bản cực Y1, Y2 ta làm lệch chùm tia electron theo phương thẳng đứng. Tương tự

dùng điện trường giữa hai bản cực X1, X2 ta làm lệch chùm tia electron theo phương ngang. Ống điện tử

được dùng trong dao động ký.

► Máy sao chụp quang học (photocopy)

Bộ phận quan trọng nhất của máy sao chụp quang học là

là mặt trống. Trống làm bằng nhôm có phủ một lớp chất bán dẫn,

dẫn điện tốt; còn selên thì khi thiếu ánh sáng nó



một mặt trụ mà người ta gọi

ví dụ sêlên. Nhôm là chất

là



chất cách điện, khi được chiếu sáng nó trở

thành dẫn điện tốt. Mặt trống ở gần một

cực mà ta gọi là điện cực trống. Quá trình máy

chụp văn bản có thể chia thành 5 bước sau:



điện

sao