Lực Tương Tác Giữa Hai Điện Tích
Hai loại điện tích, định luật Coulomb, lực điện trong điện môi và ứng dụng
▸ Thí nghiệm
Treo thanh nhựa A bằng một dây chỉ để nó có thể quay tự do, dùng len cọ xát với một đầu của nó. Tiến hành 2 thí nghiệm:
- Cọ xát thanh nhựa B với len rồi đưa lại gần A → hai thanh đẩy nhau.
- Cọ xát thanh thuỷ tinh C với lụa rồi đưa lại gần A → hai thanh hút nhau.
Các điện tích cùng dấu đẩy nhau, trái dấu hút nhau.
Lực điện là tên gọi chung của lực hút, đẩy giữa các điện tích — còn gọi là lực tương tác tĩnh điện.
▸ Đơn vị điện tích
Giá trị của điện tích được kí hiệu bằng chữ $q$. Trong hệ SI, đơn vị đo điện tích là culông (kí hiệu C), lấy theo tên nhà bác học người Pháp Charles Coulomb (Sác-lơ Cu-lông, 1736–1806).
▸ Quy đổi đơn vị thường gặp
| Đơn vị | Quy đổi sang SI |
|---|---|
| 1 μC (micrôculông) | $= 10^{-6}$ C |
| 1 nC (nanôculông) | $= 10^{-9}$ C |
| 1 pC (picôculông) | $= 10^{-12}$ C |
| 1 cm | $= 10^{-2}$ m |
| 1 mm | $= 10^{-3}$ m |
▸ Điện tích điểm
Trong các thí nghiệm vật lí, người ta coi các quả cầu tích điện có bán kính nhỏ so với khoảng cách giữa chúng là các điện tích điểm. Khoảng cách giữa các điện tích điểm này là khoảng cách giữa tâm các quả cầu.
Coulomb dùng cân xoắn để xác định mối liên hệ giữa độ lớn lực tương tác giữa hai quả cầu tích điện với điện tích của chúng và khoảng cách giữa chúng. Kết quả thí nghiệm được phát biểu thành định luật:
▸ Biểu thức của định luật Coulomb
Trong đó:
- $F$: độ lớn lực tương tác (N).
- $q_1, q_2$: các điện tích (C).
- $r$: khoảng cách giữa hai điện tích (m).
- $k = 9 \cdot 10^9$ N·m²/C² là hệ số tỉ lệ.
Công thức tương đương dùng hằng số điện $\varepsilon_0$:
Mối liên hệ giữa $k$ và $\varepsilon_0$:
▸ Đặc điểm của vectơ lực $\vec{F}$
| Đặc điểm | Mô tả |
|---|---|
| Phương | Trùng với đường thẳng nối hai điện tích. |
| Chiều | Hai điện tích cùng dấu → đẩy nhau; trái dấu → hút nhau. |
| Độ lớn | $F = k\dfrac{|q_1 q_2|}{r^2}$ |
$F = k\dfrac{|q_1 q_2|}{r^2} = \dfrac{9 \cdot 10^9 \times 2 \cdot 10^{-6} \times 3 \cdot 10^{-6}}{(0{,}3)^2}$
$F = \dfrac{54 \cdot 10^{-3}}{0{,}09} = 0{,}6$ N.
Khi các điện tích đặt trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng, lực tương tác giữa các điện tích giảm đi $\varepsilon$ lần so với lực tương tác trong chân không.
Trong đó $\varepsilon$ gọi là hằng số điện môi của môi trường đặt điện tích. Một số giá trị thường gặp:
| Môi trường | Hằng số điện môi $\varepsilon$ |
|---|---|
| Chân không | $\varepsilon = 1$ |
| Không khí | $\varepsilon \approx 1$ |
| Nước nguyên chất | $\varepsilon \approx 81$ |
| Dầu hoả | $\varepsilon \approx 2{,}1$ |
▸ Dạng 1: Tính lực tương tác giữa hai điện tích
Các bước:
- Đổi tất cả đại lượng về hệ SI ($q$ ra C, $r$ ra m).
- Áp dụng $F = k\dfrac{|q_1 q_2|}{r^2}$ với $k = 9 \cdot 10^9$ N·m²/C².
- Chú ý lấy giá trị tuyệt đối của $q_1 q_2$.
▸ Dạng 2: Sự thay đổi của lực khi đổi $r$ hoặc $q$
| Thay đổi | Lực $F$ thay đổi như thế nào |
|---|---|
| $r$ tăng $n$ lần | $F$ giảm $n^2$ lần |
| $r$ giảm $n$ lần | $F$ tăng $n^2$ lần |
| $q$ tăng $n$ lần | $F$ tăng $n$ lần |
| $q$ giảm $n$ lần | $F$ giảm $n$ lần |
| Cả hai $q$ tăng $n$ lần | $F$ tăng $n^2$ lần |
Công thức tổng quát: Nếu khoảng cách thay đổi $n$ lần và mỗi điện tích thay đổi $m$ lần thì:
▸ Dạng 3: Lực tương tác giữa electron và proton
Áp dụng công thức Coulomb với điện tích nguyên tố $e = 1{,}6 \cdot 10^{-19}$ C:
$F = \dfrac{9 \cdot 10^9 \times (1{,}6 \cdot 10^{-19})^2}{(5 \cdot 10^{-11})^2}$
Mẫu: $(5 \cdot 10^{-11})^2 = 25 \cdot 10^{-22}$.
▸ Sơn tĩnh điện
Mũi của "súng sơn" được nối với cực dương của máy phát tĩnh điện, vật cần sơn được nối với cực âm. Các hạt sơn cực nhỏ bay ra khỏi mũi súng mang điện dương nên bị vật cần sơn mang điện âm hút dính chặt vào.
Ưu điểm: Tiết kiệm sơn, ít gây ô nhiễm môi trường, nước sơn bền lâu hơn so với phun sơn thông thường.
▸ Máy lọc không khí
Máy lọc không khí sử dụng nguyên lý tĩnh điện: bụi trong không khí khi đi qua lưới lọc tĩnh điện sẽ bị nhiễm điện và bị hút bám vào các tấm lưới mang điện trái dấu — giúp lọc sạch bụi và vi khuẩn.
Toàn bộ công thức, các dạng bài tập tính toán, sơ đồ tư duy, phương pháp giải và lỗi sai thường gặp.
Sau khi đã nắm vững lý thuyết, các em hãy chuyển sang tab Bài Tập để luyện 25 câu bám sát chương trình SGK Kết Nối Tri Thức!
Luyện tập Bài 16 – Định luật Coulomb!
25 câu: 19 trắc nghiệm · 2 đúng/sai · 4 tự luận
Tuyệt vời!
Thầy Phạm Trần Quốc Anh
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn