Chúng tôi trích giới thiệu với các bạn một số bản dịch từ tác phẩm Những câu hỏi và bài tập vật lí phổ thông của hai tác giả người Nga L. Tarasov và A. Tarasova, sách xuất bản ở Nga năm 1968. Bản dịch lại từ bản tiếng Anh xuất bản năm 1973.
Các bài giảng được trình bày dưới dạng thảo luận hỏi đáp giữa giáo viên và học sinh.
§24. Các đường sức hành xử như thế nào ở gần bề mặt của một vật dẫn?
GV: Ta hãy đưa một vật dẫn nào đó vào trong một trường tĩnh điện. Các em biết rõ rằng một vật dẫn đặt trong một điện trường được đặc trưng bởi một đại lượng gọi là điện dung. Nhưng các em có bao giờ tự hỏi mình rằng tại sao chúng ta nói tới điện dung của một vật dẫn mà không bao giờ nói tới điện dung của một điện môi?
HS A: Em chưa bao giờ nêu câu hỏi đó.
GV: Em định nghĩa như thế nào là điện dung của một vật dẫn cô lập?
HS A: Nó là đại lượng điện phải truyền cho vật dẫn để làm tăng điện thế của nó lên một đơn vị.
GV: Lưu ý em rằng ở đây em đang nói đến điện thế là một đặc trưng của một vật. Nhưng cho đến hiện tại, điện thế được xem là một đặc trưng của điện trường và như vậy nó biến thiên từ điểm này sang điểm khác. Điện thế là một hàm của tọa độ của điểm tương ứng thuộc một điện trường. Vậy chúng ta có thể nói nó là một đặc trưng của một vật hay không? Nếu có thể thì tại sao như vậy?
HS B: Có thể, nếu vật đó là vật dẫn. Thực tế thì tất cả các điểm thuộc một vật dẫn đặt trong một trường tĩnh điện đều có cùng điện thế. Một vật dẫn là một vật đẳng thế.
GV: Em lập luận dựa trên cơ sở nào?
HS B: Một vật dẫn thì có các điện tích tự do. Do đó, nếu tồn tại hiệu điện thế giữa hai điểm bất kì thuộc vật dẫn, thì sẽ có một dòng điện chạy giữa những điểm này. Điều này rõ ràng là không thể.
GV: Khá chính xác. Có thể nói rằng khi một vật dẫn được mang vào một trường tĩnh điện, thì các điện tích tự do trong vật dẫn được phân bố lại sao cho cường độ điện trường bên trong vật dẫn bằng không. Như vậy có nghĩa là mỗi điểm thuộc vật dẫn (cả bên trong và trên mặt của nó) có điện thế như nhau. Sự bằng nhau của điện thế tại mọi điểm thuộc một vật dẫn cho phép chúng ta nói tới điện thế của vật dẫn với vai trò là một vật. Tôi muốn nói rằng không có điện tích tự do trong một điện môi và do đó không thể xảy ra sự phân bố lại của điện tích. Nhân tiện, các điện tích tự do được phân bố lại như thế nào trong một vật dẫn?
HS B: Chúng tập trung trên bề mặt vật dẫn. Độ cong của nguyên tố bề mặt của vật dẫn càng lớn thì điện tích càng tập trung nhiều. Mật độ điện tích cực đại sẽ là tại điểm nhọn.
GV: Đúng rồi. Bây giờ thì đã rõ một vật dẫn ở trong một trường tĩnh điện là một vật đẳng thế. Suy ra bề mặt của vật dẫn là một mặt đẳng thế. Trên cơ sở kết luận này, các em hãy cho biết các đường sức của một trường tĩnh điện hành xử như thế nào ở gần bề mặt của một vật dẫn?
HS B: Vì các đường sức luôn vuông góc với mặt đẳng thế, nên chúng phải “đi” vuông góc vào bề mặt của vật dẫn.
GV: Đáng tiếc là các thí sinh thường không biết như vậy. Các em chẳng gặp khó khăn gì khi vẽ hình ảnh các đường sức trong điện trường của một tụ phẳng với một quả cầu kim loại nằm giữa hai bản tụ. Nhưng các thí sinh thường gặp khó khăn lớn với câu hỏi này.
HS B: Các đường sức sẽ tiến tới vuông góc với hai bản tụ và bề mặt quả cầu. Như vậy, hình ảnh các đường sức sẽ na ná như biểu diễn ở Hình 92.
GV: Em nói chính xác. Cái tôi không hiểu là vì sao một số thí sinh cứ nghĩ rằng các đường sức phải đi vòng qua quả cầu.
Bây giờ ta hãy xét bài toán sau đây. Một điện tích điểm +q đặt cách mặt đất một khoảng r. Nó sẽ gây cảm ứng một điện tích có dấu ngược lại trên mặt đất. Vì thế, một lực hút điện phát sinh giữa điện tích và mặt đất. Hãy tìm lực này. Tôi đề nghị cả hai em suy nghĩ về bài toán này.
HS A: Điện tích cảm ứng trên mặt đất sẽ bằng độ lớn với điện tích +q. Từ đó suy ra lực cần tìm bằng q2/r2.
HS B: Em không đồng ý như vậy. Bạn A cho rằng điện tích cảm ứng trên mặt đất tập trung tại một điểm (điểm A ở Hình 93a). Tuy nhiên, thật ra điện tích cảm ứng không tập trung tại một điểm mà phân bố trên khắp mặt đất. Vì lí do này, chúng ta biết trước rằng lực cần tìm phải nhỏ hơn q2/r2.
GV: Tôi hoàn toàn đồng ý với em. Sau đó thì làm thế nào chúng ta tìm được lực hút giữa điện tích và mặt đất?
HS B: Theo em thấy chúng ta phải xác định điện trường giữa điện tích đó và mặt đất. Mặt đất rõ ràng là một mặt đẳng thế. Do đó, ở gần mặt đất mặt đẳng thế của điện trường phải có hình gần như là phẳng. Đồng thời, mặt đẳng thế trong vùng phụ cận điện tích thì phải có dạng cầu. Như vậy cho phép chúng ta vẽ một hình ảnh định tính của các mặt đẳng thế (hay, chính xác hơn là tiết diện của những mặt này). Khi vẽ xong, chúng ta có thể vẽ các đường sức theo quy tắc quen thuộc. Hình vẽ được thể hiện ở Hình 93b, trong đó các đường sức được vẽ liền nét, còn tiết diện của những mặt đẳng thế được vẽ đứt nét.
GV: Hãy tiếp tục hướng suy luận của em. Hình ảnh các đường sức của em ở Hình 93b có nhắc em nhớ tới cái gì không?
HS B: Vâng, tất nhiên rồi. Hình ảnh này chắc chắn tương tự với hình ảnh các đường sức của hai điện tích điểm bằng nhau về độ lớn và trái dấu. Em sẽ vẽ hình này ở phía bên phải (Hình 93c). Giờ thì mọi thứ khá rõ ràng rồi. Trong cả hai trường hợp (xem Hình 93b và c), diện mạo của điện trường ở gần điện tích +q là giống nhau. Theo phương trình (130), điều này có nghĩa là lực tác dụng lên +q trong hai trường hợp là bằng nhau. Như vậy, lực cần tìm là q2/(4r2).
GV: Lập luận của em chính xác lắm. Bài toán này cho thấy rõ ràng rằng khái niệm trường có ý nghĩa hết sức to lớn.
Những câu hỏi và bài tập vật lí phổ thông
L. Tarasov và A. Tarasova
Trần Nghiêm dịch
Phần tiếp theo >>
