Điện trường (Electric field)

Nguồn gốc của điện trường

Điện trường được tạo ra bởi các điện tích đứng yên (tĩnh điện) hoặc các điện tích chuyển động. Cường độ của điện trường tại một điểm phụ thuộc vào độ lớn của điện tích nguồn và khoảng cách từ điểm đó đến điện tích nguồn. Cụ thể hơn, một điện tích điểm $q$ sẽ tạo ra điện trường tại một điểm cách nó một khoảng $r$ có cường độ được tính theo công thức:

$E = k\frac{|q|}{r^2}$

trong đó $k$ là hằng số Coulomb ($k \approx 8.98755 \times 10^9 \, N⋅m^2⋅C^{−2}$).

Điện trường do một hệ nhiều điện tích điểm tạo ra được tính bằng cách tổng hợp véc-tơ cường độ điện trường do từng điện tích điểm tạo ra. Trường hợp điện tích phân bố liên tục, ta cần sử dụng tích phân để tính toán cường độ điện trường. Điện tích chuyển động, ngoài việc tạo ra điện trường, còn sinh ra từ trường. Sự kết hợp của điện trường và từ trường tạo thành trường điện từ.

Biểu diễn điện trường

Điện trường được biểu diễn bằng các đường sức điện trường. Đường sức điện trường là các đường cong tưởng tượng sao cho tiếp tuyến tại mỗi điểm trên đường cong chỉ hướng của vectơ cường độ điện trường tại điểm đó.

• Các đường sức điện trường bắt đầu từ điện tích dương và kết thúc ở điện tích âm (hoặc ở vô cực nếu không có điện tích âm).
• Các đường sức điện trường không bao giờ cắt nhau.
• Mật độ đường sức điện trường thể hiện độ lớn của cường độ điện trường. Nơi mật độ đường sức cao thì cường độ điện trường lớn.

Cường độ điện trường

Cường độ điện trường (E) tại một điểm là đại lượng vectơ đặc trưng cho khả năng tác dụng lực của điện trường lên một điện tích thử đặt tại điểm đó. Nó được định nghĩa là lực điện (F) tác dụng lên một điện tích thử dương (q₀) đặt tại điểm đó, chia cho độ lớn của điện tích thử:

$E = \frac{F}{q_0}$

Đơn vị của cường độ điện trường là Vôn trên mét (V/m) hoặc Newton trên Coulomb (N/C).

Điện trường do một điện tích điểm tạo ra

Cường độ điện trường (E) tại một điểm cách điện tích điểm Q một khoảng r được tính theo công thức:

$E = k \frac{|Q|}{r^2}$

Trong đó:

• k là hằng số Coulomb, $k \approx 9 \times 10^9 Nm^2/C^2$. Giá trị chính xác hơn là $k = \frac{1}{4\pi\epsilon_0}$, với $\epsilon_0$ là hằng số điện môi của chân không.
• |Q| là độ lớn của điện tích nguồn.
• r là khoảng cách từ điện tích nguồn đến điểm đang xét.

Vectơ cường độ điện trường hướng ra xa điện tích nếu Q > 0 và hướng vào điện tích nếu Q < 0.

Nguyên lý chồng chất điện trường

Nếu điện trường tại một điểm được tạo ra bởi nhiều điện tích điểm, thì cường độ điện trường tổng hợp tại điểm đó bằng tổng vectơ của cường độ điện trường do từng điện tích điểm tạo ra:

$\vec{E} = \vec{E_1} + \vec{E_2} + … + \vec{E_n}$

Điện trường đều

Điện trường đều là điện trường có cường độ và hướng không đổi tại mọi điểm. Ví dụ, điện trường giữa hai bản kim loại song song tích điện trái dấu được coi là điện trường đều.

Ứng dụng của điện trường

Điện trường có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống và khoa học kỹ thuật, ví dụ như:

• Tụ điện: Dựa trên nguyên lý tích trữ năng lượng trong điện trường.
• Máy gia tốc hạt: Sử dụng điện trường mạnh để gia tốc các hạt mang điện.
• Màn hình CRT: Sử dụng điện trường để điều khiển chùm electron vẽ hình ảnh.
• Máy in laser: Sử dụng điện trường để tạo ra hình ảnh trên trống in.

Điện trường là một khái niệm quan trọng trong vật lý, giúp giải thích các hiện tượng liên quan đến tương tác điện giữa các vật thể mang điện. Việc hiểu rõ về điện trường là nền tảng cho việc nghiên cứu và ứng dụng nhiều công nghệ hiện đại.

Thế năng điện trường

Giống như một vật có khối lượng được nâng lên cao so với mặt đất tích trữ thế năng hấp dẫn, một điện tích đặt trong điện trường cũng tích trữ thế năng điện trường. Công thực hiện để di chuyển một điện tích trong điện trường được chuyển đổi thành thế năng điện trường. Công (W) cần thiết để di chuyển một điện tích thử q₀ từ điểm A đến điểm B trong điện trường được tính bằng:

$W = -q_0 \int_A^B \vec{E} \cdot d\vec{l}$

Độ biến thiên thế năng điện trường của điện tích q₀ khi di chuyển từ A đến B bằng công của lực điện trường tác dụng lên điện tích đó:

$\Delta U = U_B – U_A = -W$

Điện thế

Điện thế (V) tại một điểm trong điện trường được định nghĩa là thế năng điện trường (U) của một điện tích thử dương đơn vị (q₀ = +1C) đặt tại điểm đó:

$V = \frac{U}{q_0}$

Điện thế là một đại lượng vô hướng. Đơn vị của điện thế là Vôn (V). Hiệu điện thế giữa hai điểm A và B được định nghĩa là hiệu số điện thế tại hai điểm đó:

$V_{AB} = V_B – VA = \frac{W{AB}}{q_0}$

W_AB là công của lực điện trường khi di chuyển điện tích q₀ từ A đến B.

Mối liên hệ giữa điện trường và điện thế

Cường độ điện trường (E) là độ giảm của điện thế (V) theo một khoảng cách đơn vị. Mối quan hệ này được biểu diễn bằng công thức:

$\vec{E} = -\nabla V$

Trong trường hợp điện trường biến thiên theo một chiều (ví dụ theo phương $r$), công thức trên có thể được viết đơn giản thành:

$E = -\frac{dV}{dr}$

Dấu trừ chỉ ra rằng điện trường hướng từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp.

Điện dung

Điện dung (C) của một tụ điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích trữ điện tích của tụ điện. Nó được định nghĩa là tỉ số giữa điện tích (Q) tích trữ trên mỗi bản của tụ điện và hiệu điện thế (V) giữa hai bản:

$C = \frac{Q}{V}$

Đơn vị của điện dung là Farad (F).

Năng lượng điện trường

Năng lượng điện trường được tích trữ trong không gian xung quanh các điện tích. Năng lượng điện trường (W) tích trữ trong một tụ điện được tính bằng:

$W = \frac{1}{2}CV^2 = \frac{1}{2}QV = \frac{1}{2}\frac{Q^2}{C}$

• University Physics with Modern Physics, Hugh D. Young and Roger A. Freedman, Pearson Education.
• Physics for Scientists and Engineers, Serway and Jewett, Cengage Learning.
• Fundamentals of Physics, Halliday, Resnick, and Walker, John Wiley & Sons.
• Electricity and Magnetism, Purcell and Morin, Cambridge University Press.

Câu hỏi và Giải đáp

Điện trường và từ trường có liên quan với nhau như thế nào?

Trả lời: Điện trường và từ trường có mối liên hệ mật thiết và là hai khía cạnh của trường điện từ. Một điện tích chuyển động tạo ra cả điện trường và từ trường. Tương tự, một từ trường biến thiên theo thời gian sẽ tạo ra điện trường, và một điện trường biến thiên theo thời gian sẽ tạo ra từ trường. Mối quan hệ này được thể hiện rõ ràng trong các phương trình Maxwell. Ví dụ, định luật Faraday về cảm ứng điện từ mô tả cách một từ trường biến thiên tạo ra điện trường:

$o\int \vec{E} \cdot d\vec{l} = -\frac{d\Phi_B}{dt}$

Trong đó, $\Phi_B$ là từ thông.

Làm thế nào để che chắn điện trường?

Trả lời: Điện trường có thể được che chắn bằng cách sử dụng một vật dẫn điện, ví dụ như một lồng Faraday. Khi một vật dẫn điện được đặt trong điện trường, các điện tích tự do trong vật dẫn sẽ di chuyển cho đến khi điện trường bên trong vật dẫn bằng không. Lúc này, điện trường bên ngoài sẽ bị triệt tiêu bên trong vật dẫn.

Điện trường có ảnh hưởng đến sức khỏe con người không?

Trả lời: Ảnh hưởng của điện trường lên sức khỏe con người vẫn là một chủ đề đang được nghiên cứu. Tiếp xúc với điện trường tần số cực thấp (ELF) từ các đường dây điện cao thế đã được nghiên cứu về mối liên hệ với một số vấn đề sức khỏe, nhưng chưa có kết luận chắc chắn. Tuy nhiên, tiếp xúc với điện trường cường độ cao có thể gây ra các tác động tức thì như sốc điện.

Ngoài tụ điện, còn có thiết bị nào khác ứng dụng điện trường?

Trả lời: Điện trường được ứng dụng trong rất nhiều thiết bị khác, ví dụ như:

• Máy gia tốc hạt: Sử dụng điện trường mạnh để gia tốc các hạt mang điện cho các nghiên cứu vật lý hạt nhân.
• Màn hình CRT và OLED: Sử dụng điện trường để điều khiển chùm electron, tạo ra hình ảnh trên màn hình.
• Máy in laser: Sử dụng điện trường để điều khiển mực in lên giấy.
• Kính hiển vi điện tử: Sử dụng điện trường và từ trường để phóng đại hình ảnh các vật thể cực nhỏ.
• Bộ cảm biến điện dung: Sử dụng sự thay đổi điện dung do thay đổi điện trường để đo lường các đại lượng vật lý như áp suất, độ dịch chuyển.

Điện trường có vai trò gì trong liên kết hóa học?

Trả lời: Điện trường đóng vai trò chủ chốt trong liên kết hóa học. Liên kết ion được hình thành do lực hút tĩnh điện giữa các ion mang điện tích trái dấu. Liên kết cộng hóa trị được hình thành do sự chia sẻ electron giữa các nguyên tử, và sự phân bố điện tích trong liên kết này tạo ra điện trường ảnh hưởng đến hình dạng và tính chất của phân tử. Điện trường cũng đóng vai trò trong các tương tác giữa các phân tử, như lực Van der Waals và liên kết hydro.