Bài 16. Lực tương tác giữa hai điện tích

Em đã biết các điện tích cùng dấu đẩy nhau, khác dấu hút nhau. Theo em, độ lớn của lực tương tác giữa hai điện tích phụ thuộc như thế nào vào độ lớn của các điện tích và khoảng cách giữa chúng?

i. Lực hút và lực đẩy giữa các điện tích

Treo thanh nhựa A bằng một dây chỉ để nó có thể quay tự do rồi dùng len cọ xát một đầu của nó.
Quan sát, mô tả và giải thích hiện tượng xảy ra khi:
a) Dùng len cọ xát một đầu thanh nhựa B rồi đưa lại gần đầu đã được cọ xát của thanh nhựa A (Hình 16.1a).
b) Dùng lụa cọ xát một đầu thanh thuỷ tinh C rồi đưa lại gần đầu đã được cọ xát của thanh nhựa A (Hình 16.1b).

Hình 16.1. Sự hút, đẩy của các điện tích. Hình ảnh thí nghiệm minh họa lực hút và đẩy giữa các điện tích. a) Hai thanh nhựa tích điện cùng dấu đẩy nhau. b) Thanh nhựa tích điện âm và thanh thủy tinh tích điện dương hút nhau.

Dựa vào Hình 16.2a, vẽ các vectơ lực biểu diễn tương tác giữa các điện tích trong các hình còn lại.
Vẽ vectơ lực của ba điện tích đặt tại các đỉnh của một tam giác đều. Biết các điện tích trên đều cùng dấu và cùng độ lớn.

Hình 16.2. Lực tương tác giữa hai điện tích. Hình ảnh minh họa lực tương tác giữa các điện tích: a) Hai điện tích dương đẩy nhau. b) Một điện tích dương và một điện tích âm hút nhau. c) Hai điện tích âm đẩy nhau.

Từ những thí nghiệm trên có thể rút ra kết luận:
Có hai loại điện tích trái dấu. Điện tích xuất hiện ở thanh thuỷ tinh khi được cọ xát vào len được quy ước gọi là điện tích dương, điện tích xuất hiện ở thanh nhựa được cọ xát vào vải được quy ước gọi là điện tích âm.
Các điện tích cùng loại đẩy nhau.
Các điện tích khác loại hút nhau.
Lực hút, đẩy giữa các điện tích được gọi chung là lực tương tác giữa các điện tích (thường gọi tắt là lực điện).

Độ lớn của lực tương tác giữa các điện tích có phụ thuộc như thế nào vào khoảng cách giữa các điện tích? Đề xuất phương án thí nghiệm để kiểm tra dự đoán.

II. định luật coulomb (cu-lông)

1. Đơn vị điện tích, điện tích điểm

Người ta kí hiệu giá trị của điện tích bằng chữ “q”. Trong hệ SI đơn vị đo điện tích là Coulomb (C), lấy theo tên của nhà vật lí người Pháp Charles Coulomb (Sác-lơ Cu-lông).
Điện tích điểm là vật tích điện có kích thước nhỏ so với khoảng cách tới điểm mà ta xét. 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 của các quả cầu.

EM CÓ BIẾT

Thí nghiệm cân xoắn Coulomb

Hình 16.3. Charles Coulomb (Sác-lơ Cu-lông, 1736-1806), nhà vật lí người Pháp có nhiều công trình nghiên cứu về điện và từ. Chân dung Charles Coulomb.

2. Định luật Coulomb

Coulomb cho rằng độ lớn của lực tương tác giữa hai điện tích phụ thuộc vào giá trị của các điện tích và khoảng cách giữa chúng. Ông dùng cân xoắn (Hình 16.4) để xác định mối liên hệ giữa độ lớn lực tương tác giữa hai quả cầu tích điện với điện tích của hai quả cầu và khoảng cách giữa chúng.
Các kết quả thí nghiệm được phát biểu thành định luật sau đây mang tên ông:
Lực tương tác giữa hai điện tích điểm có phương trùng với đường thẳng nối hai điện tích điểm, có độ lớn tỉ lệ thuận với tích giá trị của hai điện tích điểm và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.

$F = \frac{k ∣ q_{1} q_{2} ∣}{r^{2}}$

Hình 16.4. Cân xoắn Coulomb. Sơ đồ cân xoắn Coulomb, bao gồm: A: Quả cầu kim loại giữ cố định. B: Quả cầu kim loại giống hệt A, gắn vào thanh ngang. C: Quả cầu đối trọng. D: Dây treo. E: Chốt quay. G: Bảng chia độ. Mô tả cách thí nghiệm được thực hiện.

Trong đó r là khoảng cách giữa hai điện tích điểm $q_{1}$ , $q_{2}$ ; k là hệ số tỉ lệ có độ lớn phụ thuộc vào môi trường trong đó đặt điện tích và đơn vị sử dụng. Khi các điện

tích đặt trong chân không và hệ đơn vị sử dụng là SI thì k được xác định bởi: $k = \frac{1}{4 π ϵ_{0}}$
Trong đó $ϵ_{0}$ là một hằng số điện $ϵ_{0} = 8, {85.10}^{- 12}$ $C^{2} / N m^{2}$ . Do đó, định luật Coulomb đối với các điện tích điểm đặt trong chân không có biểu thức:

$F = \frac{∣ q_{1} q_{2} ∣}{4 π ϵ_{0} r^{2}}$

$h o \tilde{a} c F = \frac{k ∣ q_{1} q_{2} ∣}{r^{2}}, v o i k = {9.10}^{9} N m^{2} / C^{2}$

Hình 16.5. Lực tương tác giữa hai điện tích điểm. Hình ảnh minh họa lực tương tác giữa hai điện tích điểm

q_{1}

và

q_{2}

cách nhau một khoảng r. Lực

{\vec{F}}_{12}

tác dụng lên

q_{2}

q_{1}

và lực

{\vec{F}}_{21}

tác dụng lên

q_{1}

q_{2}

Vì không khí khô có tính chất điện giống của chân không nên người ta thường áp dụng biểu thức (16.2), (16.3) cho cả hai môi trường chân không và không khí.

III. bài tập về định luật coulomb

1. Bài tập ví dụ

Người ta dùng máy phát tĩnh điện để tích điện cho hai quả cầu kim loại nhỏ đặt cách nhau 10 cm trong không khí. Tính lực điện tương tác giữa hai quả cầu khi:
a) Hai quả cầu được tích điện cùng dấu và cùng độ lớn $9, {45.10}^{- 7} C$ .
b) Đưa hai quả cầu cách nhau 20 cm.
c) Đưa hai quả cầu về vị trí cũ và làm giảm điện tích của một quả cầu đi một nửa.

Lời giải

Giải:
a) Theo định luật Coulomb: $F = \frac{∣ q_{1} q_{2} ∣}{4 π ϵ_{0} r^{2}} = \frac{(9, {45.10}^{- 7})^{2}}{4.3, 14.8, {85.10}^{- 12} {.10}^{- 2}} \approx 0, 8 N$ .
b) Vì lực điện tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa hai điện tích nên khi khoảng cách tăng lên 2 lần thì F giảm đi 4 lần: $F \approx 0, 2 N$
c) Vì lực điện tỉ lệ thuận với tích của $q_{1}$ và $q_{2}$ nên khi $q_{1}$ giảm đi một nửa thì lực cũng giảm đi một nửa: $F \approx 0, 4 N$ .

2. Bài tập luyện tập

1.

Người ta có thể dùng lực tĩnh điện để tách các trang sách bị dính chặt vào nhau mà không làm chúng hỏng. Hãy mô tả cách làm này.

2.

Có thể dùng định luật Coulomb để xác định độ lớn của lực tương tác giữa các điện tích trong các thí nghiệm ở Hình 16.1 không? Tại sao?

3.

Xác định lực điện tương tác giữa electron và proton của nguyên tử hydrogen. Biết khoảng cách từ electron trong nguyên tử hydrogen đến hạt nhân của nguyên tử này là ${5.10}^{- 11}$ m; điện tích của electron và proton có độ lớn bằng nhau $1, {6.10}^{- 19} C$ . Lấy $ϵ_{0} = {8.85.10}^{- 12} \frac{C^{2}}{N \cdot m^{2}}$

4.

Hai điện tích điểm $q_{1} = 15 μ C;$ $q_{2} = - 6 μ C$ đặt cách nhau 0,2 m trong không khí. Phải đặt một điện tích $q_{3}$ ở vị trí nào để lực điện tác dụng lên điện tích này bằng 0?

EM ĐÃ HỌC

Có hai loại điện tích khác dấu là điện tích dương và điện tích âm.
Các điện tích cùng dấu đẩy nhau, khác dấu hút nhau.
Trong hệ SI đơn vị điện tích là Coulomb (C).
Định luật Coulomb: Lực tương tác giữa hai điện tích điểm có phương trùng với đường thẳng nối hai điện tích điểm, có độ lớn tỉ lệ thuận với tích giá trị của hai điện tích điểm và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.
Biểu thức của định luật Coulomb đối với môi trường chân không: $F = \frac{∣ q_{1} q_{2} ∣}{4 π ϵ_{0} r^{2}}; F = \frac{k ∣ q_{1} q_{2} ∣}{r^{2}}$ với $k = {9.10}^{9} N m^{2} / C^{2}$

EM CÓ BIẾT

Hình 16.6 mô tả một ứng dụng của lực điện vào thực tế: Sơn tĩnh điện (còn gọi là sơn khô tĩnh điện). Mũi của “súng sơn” được nối với cực dương của một máy phát tĩnh điện, vật cần sơn được nối với cực âm của máy này.
Các hạt sơn cực nhỏ khi bay ra khỏi mũi của súng sơn mang điện dương nên bị vật cần sơn mang điện âm hút dính chặt vào. Cách sơn tĩnh điện tiết kiệm được sơn, ít làm ô nhiễm môi trường, có nước sơn bền lâu hơn so với cách phun sơn thông thường.

Hình 16.6. Sơn tĩnh điện. Hình ảnh một người đang sơn tĩnh điện và sơ đồ mũi súng phun sơn, vật cần sơn.

EM CÓ THỂ

Có thể trình bày được nguyên tắc hoạt động của máy lọc không khí trong gia đình dựa trên sơ đồ (Hình 16.7).

Hình 16.7. Sơ đồ máy lọc bụi không khi. Sơ đồ máy lọc bụi không khí, bao gồm: (1) Lớp lọc bụi có kích thước lớn, (2, 3) Lưới lọc tĩnh điện, (4) Lớp lọc vi khuẩn, mùi, (5) Quạt, (6) Nguồn điện. Không khí bẩn đi vào và không khí sạch đi ra.

1: Lớp lọc bụi có kích thước lớn.
2, 3: Lưới lọc tĩnh điện.
5: Quạt.
4: Lớp lọc vi khuẩn, mùi.
6: Nguồn điện.

tích đặt trong chân không và hệ đơn vị sử dụng là SI thì k được xác định bởi:

$k = \frac{1}{4 π ϵ_{0}}$

Trong đó $ϵ_{0}$ là một hằng số điện $ϵ_{0} = 8, {85.10}^{- 12}$ $C^{2} / N m^{2}$ . Do đó, định luật Coulomb đối với các điện tích điểm đặt trong chân không có biểu thức:

$h o \tilde{a} c F = \frac{k ∣ q_{1} q_{2} ∣}{r^{2}}, v o i k = {9.10}^{9} N m^{2} / C^{2}$

Hình 16.5.. Lực tương tác giữa hai điện tích điểm

q_{1}

và

q_{2}

. Có các vector lực

{\vec{F}}_{21}

và

{\vec{F}}_{12}

chỉ ra hướng tương tác.

Người ta dùng máy phát tĩnh điện để tích điện cho hai quả cầu kim loại nhỏ đặt cách nhau 10 cm trong không khí. Tính lực điện tương tác giữa hai quả cầu khi:

a)

Hai quả cầu được tích điện cùng dấu và cùng độ lớn $9, {45.10}^{- 7} C .$

b)

Đưa hai quả cầu cách nhau 20 cm.

c)

Đưa hai quả cầu về vị trí cũ và làm giảm điện tích của một quả cầu đi một nửa.

Giải:

a)

Theo định luật Coulomb:

$F = \frac{∣ q_{1} q_{2} ∣}{4 π ϵ_{0} r^{2}} = \frac{(9, {45.10}^{- 7})^{2}}{4.3, 14.8, {85.10}^{- 12} {.10}^{- 2}} \approx 0, 8 N .$

b)

Vì lực điện tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa hai điện tích nên khi khoảng cách tăng lên 2 lần thì F giảm đi 4 lần: $F \approx 0, 2 N$

c)

Vì lực điện tỉ lệ thuận với tích của $q_{1}$ và $q_{2}$ nên khi $q_{1}$ giảm đi một nửa thì lực cũng giảm đi một nửa: $F \approx 0, 4 N$ .

1.

Người ta có thể dùng lực tĩnh điện để tách các trang sách bị dính chặt vào nhau mà không làm chúng hỏng. Hãy mô tả cách làm này.

1.

Hãy nêu tên các đại lượng và tên các đơn vị trong biểu thức (16.2) và (16.3).

2.

Nếu khoảng cách giữa hai điện tích điểm tăng lên 2 lần và giá trị của mỗi điện tích điểm tăng lên 3 lần thì lực điện tương tác giữa chúng tăng hay giảm bao nhiêu lần?

3.

Hãy vẽ các vectơ lực điện tương tác giữa hai điện tích điểm $q_{1} = 10^{- 5} C$ và $q_{2} = 10^{- 7} C$ đặt cách nhau 10 cm trong chân không theo tỉ lệ 1 cm ứng với khoảng cách 2 cm và lực 0,4 N. Lấy $k = {9.10}^{9} N m^{2} / C^{2}$ .

2.

Có thể dùng định luật Coulomb để xác định độ lớn của lực tương tác giữa các điện tích trong các thí nghiệm ở Hình 16.1 không? Tại sao?

3.

Xác định lực điện tương tác giữa electron và proton của nguyên tử hydrogen. Biết khoảng cách từ electron trong nguyên tử hydrogen đến hạt nhân của nguyên tử này là ${5.10}^{- 11} m$ ; điện tích của electron và proton có độ lớn bằng nhau $1, {6.10}^{- 19} C$ Lấy $ϵ_{0} = {8.85.10}^{- 12} \frac{C^{2}}{N \cdot m^{2}}$

4.

Hình 16.6.. Sơn tĩnh điện

EM CÓ THỂ

Người ta có thể dùng lực tĩnh điện để tách các trang sách bị dính chặt vào nhau mà không làm chúng hỏng. Hãy mô tả cách làm này.

Hình 16.7.. Sơ đồ máy lọc bụi không khí. Không khí bẩn đi vào (1) Lớp lọc bụi có kích thước lớn, (2) (3) Lưới lọc tĩnh điện, (4) Lớp lọc vi khuẩn, mùi, (5) Quạt, (6) Nguồn điện, và không khí sạch đi ra.

1: Lớp lọc bụi có kích thước lớn.
2, 3: Lưới lọc tĩnh điện.
5: Quạt.
4: Lớp lọc vi khuẩn, mùi.
6: Nguồn điện.

Xem bản PDF nguyên trang sách: Vật lí 11 – Kết nối tri thức với cuộc sống (trang 61–64).