Đường sức điện là gì? Đặc điểm của đường sức điện trường?

1. Điện trường là gì?

– Tương tác điện trong môi trường

Hãy tưởng tượng chúng ta đặt hai quả cầu mang điện tích trái dấu trong một hình hộp kín và sau đó bơm hết không khí ra khỏi hộp. Khi làm như vậy, chúng ta nhận thấy rằng lực hút giữa hai quả cầu không chỉ tăng mạnh mà còn trở nên mạnh hơn. Điều này gợi ý rằng giữa hai quả cầu phải tồn tại một môi trường nào đó để truyền tải tương tác điện. Môi trường này được gọi là điện trường.

– Khái niệm về điện trường

Điện trường là môi trường vật chất bao quanh một điện tích và liên kết chặt chẽ với nó. Điện trường có khả năng tạo ra lực tương tác điện lên các điện tích khác được đặt trong nó.

Mọi nơi mà có điện tích tồn tại, điện trường cũng tồn tại quanh điện tích đó.

Khi một điện tích Q đặt tại một vị trí trong không gian, nó sẽ tạo ra một điện trường xung quanh nó. Một điện tích khác q đặt trong điện trường này sẽ chịu tác dụng của một lực điện từ Q và ngược lại, điện tích q cũng sẽ tác dụng một lực tương tự lên Q. Điều này thể hiện rằng tương tác điện giữa hai điện tích được truyền qua môi trường là điện trường.

2. Cường độ điện trường:

– Định nghĩa về cường độ điện trường

Khi xem xét một điện tích điểm Q đặt tại điểm O, ta quan tâm đến việc điện trường tạo ra bởi điện tích này tại các điểm khác trong không gian. Để nghiên cứu điện trường tại một điểm M, chúng ta sẽ đặt một điện tích điểm thử q tại đó và xem xét lực điện tác động lên q. Theo định luật Coulomb, lực này càng yếu nếu q cách Q càng xa. Từ đây, ta có thể suy ra rằng điện trường tại các điểm xa Q sẽ yếu hơn. Do đó, ta cần đặc trưng hóa sự mạnh yếu của điện trường tại một điểm bất kỳ. Khái niệm đặc trưng này được gọi là cường độ điện trường.

Cường độ điện trường tại một điểm là một đại lượng đo lường khả năng tác động của điện trường lên một điện tích thử q (dương) được đặt tại điểm đó. Để đo cường độ điện trường, ta sử dụng thương của độ lớn lực điện F tác động lên q và độ lớn của q:

E = F / q (3.1)

– Vectơ cường độ điện trường

Vì lực điện F là một đại lượng vectơ, trong khi điện tích q là một đại lượng vô hướng, nên cường độ điện trường E cũng là một đại lượng vectơ.

Cường độ điện trường được biểu diễn thông qua một vectơ được gọi là vectơ cường độ điện trường. Dựa trên công thức (3.1), ta có:

Vectơ cường độ điện trường  có:

+ Phương và hướng giống với phương và hướng của lực điện tác động lên điện tích thử q dương.

+ Chiều dài của vectơ biểu thị độ lớn của cường độ điện trường theo một tỉ lệ xác định.

– Đơn vị đo cường độ điện trường

Đơn vị chuẩn để đo cường độ điện trường là Vôn trên mét (kí hiệu là V/m).

– Công thức tính cường độ điện trường tại một điểm do điện tích điểm tạo ra

Công thức tính cường độ điện trường E tại một điểm từ một điện tích điểm Q:

E = F / q = k * |Q| / ε * r^2 (3.2)

– Nguyên tắc chồng chất điện trường

Giả sử có hai điện tích điểm Q­1­ và Q2­ tạo ra tại một điểm M, ta sẽ có hai vectơ cường độ điện trường

Nguyên tắc chồng chất điện trường: Hai cường độ điện trường E1 và E2 tác động cùng một lúc lên điện tích thử q độc lập với nhau. Cường độ điện trường tại điểm đó là tổng vectơ của :

(3.3)

Các vectơ cường độ điện trường tại một điểm có thể được tổng hợp theo nguyên tắc hình bình hành.

3. Đường sức điện là gì? 

Thông qua nghiên cứu, chúng ta đã nhận thấy rằng các hạt nhỏ nếu bị nhiễm điện sẽ sắp xếp dọc theo hướng của lực điện. Khi tập hợp những hạt nhỏ này lại, chúng sẽ sắp xếp thành những đường theo hướng của vectơ cường độ điện trường tại từng điểm. Mỗi đường này được gọi là một đường sức điện.

– Định nghĩa 

Đường sức điện là một đường mà tiếp tuyến tại mỗi điểm trên đường đó có hướng và độ lớn bằng với vectơ cường độ điện trường tại điểm đó. Nói một cách khác, đường sức điện là đường mà lực điện tác động lên điện tích dọc theo từng điểm trên đường đó.

4. Đặc điểm của đường sức điện trường:

– Tính chất của Đường sức điện:

Trong lĩnh vực điện học, đường sức điện là một khái niệm quan trọng để hiểu cách các điện tích tương tác và tạo ra các trường điện trong không gian xung quanh chúng. Dưới đây là một số đặc điểm chi tiết về đường sức điện:

+ Mỗi điểm tương ứng một đường sức điện duy nhất: Trong không gian xung quanh một điện tích, tồn tại một đường sức điện duy nhất. Điều này nghĩa là tại mỗi điểm, chúng ta có thể liên kết một đường sức điện cụ thể.

+ Hướng và vectơ cường độ điện trường: Mỗi đường sức điện có một hướng cụ thể. Hướng này chính là hướng của vectơ cường độ điện trường tại điểm tương ứng. Điều này cho phép chúng ta biết cường độ và hướng của trường điện tại mọi vị trí.

+ Không hình thành vòng khép kín: Đường sức điện của một điện trường tĩnh không hình thành một vòng khép kín như các đường từ trường trong trường hợp của từ trường. Thay vào đó, chúng bắt đầu từ điện tích dương và kết thúc tại điện tích âm, tạo ra một luồng từ điện trong không gian.

+ Số lượng đường sức điện và biểu thị: Mặc dù có vô số đường sức điện trong không gian, thường chỉ một số ít được vẽ lên để biểu thị mô hình điện trường. Để thể hiện cường độ điện trường tại một điểm cụ thể, người ta thường chọn một số đường sức đi qua điểm đó và vẽ chúng vuông góc với đường sức điện tại điểm đó.

– Điện trường Đều và Ứng dụng:

Một khái niệm quan trọng trong lĩnh vực điện trường là điện trường đều. Điện trường đều là một trạng thái trong đó cường độ điện trường tại mọi điểm có cùng hướng, chiều và độ lớn. Khi điện trường đều xuất hiện, các đường sức điện sẽ là những đường thẳng song song và cách đều nhau trong không gian.

Một ví dụ cụ thể về điện trường đều có thể được tìm thấy trong một môi trường có cấu trúc đồng nhất, như trong trường hợp hai bản kim loại phẳng đặt song song cách nhau, mang điện tích bằng nhau nhưng trái dấu. Trong tình huống này, chúng sẽ tạo ra một điện trường đều, với các đường sức điện song song và đều khoảng cách.

Tổng cộng, đường sức điện và khái niệm điện trường đều mang lại sự hiểu biết về cách các điện tích tương tác và cách chúng tạo ra mô hình trường điện trong không gian, cung cấp cơ sở cho nhiều ứng dụng trong lĩnh vực điện học và kỹ thuật.

5. Bài tập đường sức điện trường:

Câu 1. Hãy chứng minh vectơ điện trường tại điểm M của một điện tích điểm có phương và chiều như trên hình 3.3

Giải:

Ta biết vectơ cường độ điện trường E có phương và chiều tác dụng lên điện tích thử dương đặt tại điểm đó; chiều dài (môđun) biểu diễn độ lớn của cường độ điện trường theo tỉ lệ xích nào đó.

Giả sử đặt tại M một điện tích thử q > 0.

Trong hình 3.3 bên trái: Q > 0 và q > 0 (cùng dấu) nên đẩy nhau, do đó vectơ cường độ điện trường có hướng ra xa Q.

Trong hình 3.3 bên phải: Q < 0 và q > 0 (trái dấu) nên hút nhau, do đó vectơ cường độ điện trường hướng về phía Q.

Câu 2. Dựa vào hệ thống đường sức, hãy chứng minh rằng cường độ điện trường của một điện tích điểm càng gần điện tích điểm đó càng lớn.

Hướng dẫn

Càng gần điện tích điểm thì mật độ điện trường trường càng lớn tức các đường sức càng sít nhau hơn, do đó cường độ điện trường tại những điểm đó càng lớn.

Câu 3. Đại lượng nào dưới đây không liên quan đến cường độ điện trường của một điện tích điểm Q tại một điếm?

A. Điện tích Q.                                        B. Điện tích thử q.

C. Khoảng cách r từ Q đến q.                D. Hằng số điện môi của môi trường.

Hướng dẫn

Chọn B.

Câu 4. Đơn vị nào sau đây là đơn vị đo của cường độ điện trường?

A. Niutơn                                                  B. Culông

C. Vôn nhân mét                                      D. Vôn trên mét.  

Hướng dẫn

Chọn D. Đơn vị cường độ điện trường là vôn trên mét (V/m)