Bài 1: Điện tích. Định luật Cu-lông | Vật Lý | Chương 1: Điện tích, điện trường - Lớp 11 - Giáo Dục Việt Nam

Ở Trung học cơ sở (THCS), ta đã biết các vật mang điện hoặc hút nhau, hoặc đấy nhau. Lực tương tác đó phụ thuộc vào những yếu tố nào và tuân theo quy luật nào ?

I - SỰ NHIỄM ĐIỆN CỦA CÁC VẬT. ĐIỆN TÍCH. TƯƠNG TÁC ĐIỆN

1. Sự nhiễm điện của các vật

Ta đã biết, khi cọ xát những vật như thanh thuỷ tinh, thanh nhựa, mảnh pôliêtilen,... vào dạ hoặc lụa,... thì những vật đó sẽ có thể hút được những vật nhẹ như mẩu giấy, sợi bông,... Ta nói rằng những vật đó đã bị nhiễm điện.

2. Điện tích. Điện tích điểm

Vật bị nhiễm điện còn gọi là vật mang điện, vật tích điện hay là một điện tích. Điện là một thuộc tính của vật và điện tích là số đo độ lớn của thuộc tính đó. Tương tự như khối lượng là số đo mức quán tính của một vật.
Điện tích điểm là một vật tích điện có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách tới điểm mà ta xét.

3. Tương tác điện. Hai loại điện tích

Ở THCS, ta đã làm nhiều thí nghiệm để thấy các khi đưa đầu M đến gần. Hỏi đầu điện tích hoặc đẩy nhau, hoặc hút nhau (Hình 1.2).

Sự đẩy hay hút nhau giữa các điện tích đó là sự tương tác điện. 

C1 

Trên hình 1.2, AB và MN  là hai thanh được nhiễm điện. Mũi tên chỉ chiều quay của đầu B khi đưa đầu M tới gần. Hỏi đầu B và đầu M nhiễm điện cùng dấu hay trái dấu.

Người ta thừa nhận rằng chỉ có hai loại điện tích là điện tích dương (kí hiệu bằng dấu +) và điện tích âm (kí hiệu bằng dấu -).
Các điện tích cùng loại (dấu) thì đấy nhau.
Các điện tích khác loại (dấu) thì hút nhau.

Chủ ý : Khái niệm điện tích âm, điện tích dương trong Vật lí học khác với khái niệm số âm, số dương trong Toán học. Chẳng hạn, số âm luôn luôn nhỏ hơn số dương, nhưng ngược lại không thể nói điện tích âm luôn luôn nhỏ hơn điện tích dương được.

II- ĐỊNH LUẬT CU-LÔNG. HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI

1. Định luật Cu-lông

Năm L785, Cu-lông, nhà bác học người Pháp, lần đầu tiên thiết lập được định luật về sự phụ thuộc của lực tương tác giữa các điện tích điểm (gọi tất là lực điện hay lực Cu-lông) vào khoảng cách giữa chúng. Ông dùng một chiếc cân xoắn để đo lực đẩy giữa hai quả cầu nhỏ tích điện cùng dấu (Hình1.3). Hai quả cầu nhỏ này được coi là những điện tích điểm.


Sáclơ Cu-lông (Charles Coulomb, 1736 - 1806), nhà bác học người Pháp có nhiều công trình nghiên cứu về tĩnh điện và từ.
Cân xoắn Cu-lông
A là quả cầu kim loại cố định gắn ở đầu một thanh thắng đứng.
B là quả cầu kim loại linh động gắn ở đầu một thanh nằm ngang. Đầu kia của thanh có một quả đối trọng.
A và B được tích điện cùng dấu. Thanh nằm ngang được treo bằng một sợi dây mảnh có tính đàn hồi chống lại sự xoắn.
Khi hai quả cầu đẩy nhau, thanh ngang sẽ quay cho đến khi tác dụng của lục đẩy tĩnh điện cân bằng với tác dụng của lực đàn hỏi của dây treo. Biết góc quay và chiều dài của thanh ngang, ta sẽ tính được lực đẩy tĩnh điện giữa hai quả cầu A và B.

Nếu tăng khoảng cách giữa
hai quả cầu lên ba lần thì lực
tương tác giữa chúng tăng hay
giảm bao nhiêu lần ?
Em lạ É=—————() €Ằ————~-
q r q›
Hình 1.4
Để nghiên cứu sự phụ thuộc của
lực tương tác giữa hai quả cầu 4 và
trong cân xoắn Cu-lông (Hình I.3)
vào đô lớn của điện tích, ta có thể giữ
nguyên điện tích của quả cầu # và
cho quả cầu A tiếp xúc với một quả
cầu kim loại C, giống hệt nó nhưng
trung hoà về điện. Vĩ lí do đối xứng,
điện tích của quả cầu 4 sẽ bị chia
làm đôi. Cứ như vậy, ta có thể tiếp tục
làm cho điện tích của quả cầu 4 bằng
Pu ° mà điện tích ban đầu. Ta sẽ
thấy độ lớn của lực tác dụng giữa hai
quả cầu A và # bằng ¬ _ ¬_
độ lớn của lực ban đầu. Như vậy, lực
điện tỉ lệ với điện tích của quả cầu A.
Tương tự, lực điện cũng tỉ lệ với điện
tích của quả cầu ZØ. Do đó, lực điện
tỉ lệ với tích của hai điện tích.
Việc nghiên cứu lực tương tác
giữa các điện tích đã cho phép ta đo
được các điện tích, tức là so sánh độ
lớn của điện tích cần đo với điện tích
đơn vị. Muốn thế, ta chỉ cần so sánh
lực tương tác của hai điện tích này
với một điện tích thứ ba đặt cách
chúng những khoảng bằng nhau,
trong cùng một môi trường.
8
Kết quả, ông thấy lực này tỉ lệ nghịch với bình
phương khoảng cách giữa hai quả cầu.
Mặt khác, có thể chứng minh bằng thực nghiệm
là : lực tương tác giữa hai điện tích tï lệ thuận với
tích độ lớn của hai điện tích đó.
Phối hợp các kết quả trên, ta có định luật Cu-lôn g
được phát biểu như sau :
Lực hút hay đẩy giữa hai điện tích điểm đặt
trong chán không có phương trùng với đường
thẳng nối hai điện tích điểm đó, có độ lớn tỉ lệ
thuận với tích độ lớn của hai điện tích và tỉ lệ
nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng
(Hình 1.4).
r=xlftti
r (1.1)
trong đó, k là hệ số tỉ lệ, phụ thuộc vào hệ đơn vị
mà ta dùng. Trong hệ đơn vị SĨ, k có giá trỊ :
N.m” k=9.109—=
lâm
(1.2)
Trong công thức (1.1), F được đo bằng đơn vị
niutơn (N) ; r được đo bằng đơn vị mét (m) ; còn đ)
và „ được đo bằng đơn vị culông (kí hiệu là C).
2. Lực tương tác giữa các điện tích điểm đặt Bảng 11
trong điện môi đồng tính. Hằng số điện môi Hằng số điện môi của một số chất
a) Điện môi là môi trường cách điện. Si, Ỷ
Không khí 1,000594
b) Thí nghiệm chứng tỏ rằng, khi đặt các điện tích ¿ (ở điều kiện chuẩn) ' (coi như bằng1)
điểm trong một điện môi đồng tính (chẳng hạn | Dâu hoả 21
trong một chất dầu cách điện) thì lực tương tác giữa | Nước nguyên chất 81
chúng sẽ yếu đi e lần so với khi đặt chúng trong Psrani 3
chân không. ø được gọi là hằng số điện môi của "
môi trường (£ > l). Công thức của định luật GIMI :
Cu-lông trong trường hợp này là : Mica 9 + ƒ Êbônit 27 l4: vã : EF=l : (1.3) Thưỷ tỉnh 5~+ 10
gr Thạch anh 45
Đối với chân không thì ø= l.
Không thể nói về hằng số c) Hằng số điện môi là một đặc trưng quan trọng cải. Hinh, Tam saehasioual-. Reé iện môi của chất nào dưới đây 2 cho tính chất điện của một chất cách điện. Nó cho
biết, khi đặt các điện tích trong chất đó thì lực tác Ä- Không khí khô.
dụng giữa chúng sẽ nhỏ đi bao nhiêu lân so với khi Ö- Nước tĩnh khiết.
đặt chún g trong chân không. si HIàY FNH, D. Đồng.
Các điện tích cùng dấu thì đấy nhau, trái dấu thì hút nhau.
“2 Lực hút hay đẩy giữa hai điện tích điểm đặt trong chân không có phương trùng với
đường thẳng nối hai điện tích điểm đó, có độ lớn tỉ lệ thuận với tích độ lớn của hai điện
tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.
2 F=k lai ¡ káiei0 Mu.
r C
=2 Đơn vị điện tích là culông (C).
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
?
""n. .. 3. Lực tương tác giữa các điện tích khi đặt trong liêu 10/0000 JX một điện môi sẽ lớn hay nhỏ hơn khi đặt trong 2. Phát biểu định luật Cu-lông. chân không ?
4. Hằng số điện môi của một chất cho ta biết
điều gì 2
L4
3. Chọn câu đúng.
Khi tăng đồng thời độ lớn của hai điện tích
điểm và khoảng cách giữa chúng lên gấp đôi
thì lực tương tác giữa chúng
A. tăng lên gấp đôi.
B. giảm đi một nửa.
C. giảm đi bốn lần.
D. không thay đổi.
Em có biết ‡
6. Trong trường hợp nào sau đây, ta có thể coi
các vật nhiễm điện là các điện tích điểm ?
A. Hai thanh nhưa đặt gần nhau.
B. Một thanh nhựa và một quả cầu đặt gân nhau.
C. Hai quả cầu nhỏ đặt xa nhau.
D. Hai quả cầu lớn đặt gần nhau.
Nêu những điểm giống nhau và khác nhau
giữa định luật Cu-lông và định luật vạn vật
hấp dẫn.
Hai quả câu nhỏ mang hai điện tích có độ lớn
bằng nhau, đặt cách nhau 10 cm trong chân
không thì tác dụng lên nhau một lực là 9.10-3
N. Xác định điện tích của hai quả cầu đó.
SƠ
10
N TĨNH ĐIỆN
Trong công nghệ sơn phun, người ta dùng một súng có khí nén để phun những hạt sơn nhỏ
li tỉ đến bám vào vật cần sơn. Động tác này giống như việc phun nước hoa hay phun thuốc
muỗi... Một phần những hạt sơn đến bám vào vật cần sơn. Một phần khá lớn bay vào không khí
vừa gây lãng phí, vừa gây ô nhiễm. Để khắc phục nhược điểm này, người ta đã cải tiến công
nghệ sơn phun thành công nghệ sơn tĩnh điện. Trong công nghệ này, mũi của súng phun làm
bằng kim loại và được nối với cực dương của một máy phát tĩnh điện. Cực âm của máy được
nối với vật cần sơn. Các hạt sơn bay ra khỏi súng phun sẽ được nhiễm điện dương và bị hút về
phía vật cần sơn. So với lớp sơn phun thì lớp sơn tĩnh điện sẽ bám chắc hơn vì có thêm lực điện
hút các hạt sơn vào vật cần sơn. Trong công nghệ này, vật cần sơn phải bằng kim loại.