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

Bài này sẽ trình bày một số khái niệm mở đầu về điện (điện tích dương, điện tích âm, dự nhiệm điện của các vật) và về định luật tương tác giữa hai điện tích.

CU-LÔNG (charles Coulomb, 1736 -1806, nhà vật lý người Pháp)

1. Hai loại điện tích. Sự nhiễm điện của các vật

a. Hai loại điện tích

Có hai loại điện tích: điện tích dương, điện tích âm. Các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau, các điện tích khác dấu thì hút nhau.

Đơn vị điện tích là culông, kí hiệu là C.

Điện tích của êlectron là điện tích âm và có độ lớn e=1,6.10^-19. Một điện tích bằng e=1,6.10^-19 C được gọi là điện tích nguyên tố. Thí nghiệm đã chứng tỏ rằng, trong tự nhiên không có hạt nào có điện tích nhỏ hơn điện tích nguyên tố. Độ lớn của điện tích một hạt bao giờ cũng bằng một số nguyên lần diện tích nguyên tố. 

Dựa vào sự tương tác giữa các điện tích cùng dấu người ta chế tạo ra điện nghiệm (Hình 1.1).

Hình 1.1 Điện nghiệm.

1. Bình thủy tinh ; 2. Nút cách điện ; 3. Nút kim loại ; 4. Thanh kim loại ; 5. Hai lá kim loại nhẹ.

Điện nghiêm dùng để phát hiện điện tích ở một vật. Khi một vật nhiệm điện chạm vào núm kim loại, thì điện tích truyền đến hai lá kim loại (nhiệm điện do tiếp xúc). Do đó, hai lá kim loại đẩy nhau và xòe ra.

b. Sự nhiễm điện của các vật

Nhiễm điện do cọ xát

Sau khi cọ sát vào lụa, thanh thủy tinh có thể hút được các mẫu giấy vụn (Hình 1.2). Người ta nói thanh thủy tinh được nhiễm điện do cọ xát.

Hình 1.2 Thanh thủy tinh nhiễm điện hút các mẫu giấy.

Nhiễm điện do tiếp xúc

Cho thanh kim loại không nhiễm điện chạm vào quả cầu đã nhiễm điện thì thanh kim loại nhiễm điện cùng dấu với điện tích của quả cầu (Hình 1.3). Người ta nói thanh kim loại được nhiễm điện do tiếp xúc. Đưa thanh kim loại ra xa quả cầu thì thanh kim loại vẫn nhiễm điện.

Hình 1.3 Nhiễm điện do tiếp xúc.

Nhiễm điện do hưởng ứng

Đưa thanh kim loại không nhiễm điện đến gần quả cầu đã nhiễm điện những không chạm vào quả cầu, thì hai đầu thanh kim loại được nhiễm điện. Đầu gần quả cầu hơn nhiễm điện trái dấu với điện tích của quả cầu, đầu xa hơn nhiễm điện cùng dấu (Hình 1.4). Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng hưởng ứng tĩnh điện, còn gọi tắt là hiện tượng điện hưởng. Người ta nói thanh kim loại được nhiễm điện do hưởng ứng.

Đưa thanh kim loại ra xa quả cầu thì thanh kim loại lại trở về trạng thái không nhiệm điện như lúc đầu.

Hình 1.4 Nhiễm điện do hưởng ứng.

C1. Vì sao thanh kim loại do hưởng ứng thí nghiệm Hình 1.4 khi được đưa ra xa quả cầu thì điện tích ở hai đầu thanh kim loại lại "biến mất"?

Một vật được nhiễm điện cũng gọi là vật được tích điện.

2. Định luật Cu-Lông

Cu-lông đã dùng chiếc cân xoắn (hình 1.5) để khảo sát lực tương tác giữa hai quả cầu nhiễm điện có kích thước nhỏ so với khoảng cách giữa chúng. Các vật nhiễm điện có kích thước nhỏ như vật gọi là các điện tích điểm.

Hình 1.5 Cân xoắn Cu-lông.

Khoảng cách giữa hai quả cầu A, B được điều chỉnh nhờ chiếc núm xoay C của cân. Độ xoắn của sợi dây treo cho phép ta xác định lực tương tác giữa hai quả cầu.

Năm 1785, Cu-lông tổng kết các kết quả thí nghiệm của mình và nêu thành định luật sau đây gọi là định luật Cu-lông:

Độ lớn của lực tương tác giữa hai điện tích điểm tỉ lệ thuận với tích các độ lớn của hai điện tích đó và tỉ lệ nghịch với bình phương khoang cách giữa chúng.

Phương của lực tương tác giữa hai điện tích điểm là đường thẳng nối hai điện tích điểm đó. Hai điện tích cùng dấu thì đẩy nhau, hai điện tích trái dấu thì hút nhau (Hình 1.6).

Hình 1.6. Phương và chiếu của lực tương tác giữa hai điện tích điểm.

Lực tương tác giữa hai điện tích gọi là lực điện, hay cũng gọi là lực Cu-lông.

Công thức tính độ lớn của lực lượng tương tác giữa hai điện tích điểm: (1.1)

                         

r là khoảng cách giữa hai điện tích điểm q1, q2 ; k là hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào hệ đơn vị.

Trong hệ SI, 

3. Lực tương tác của các điện tích trong điện môi (chất cách điện)

Thí nghiệm chứng tỏ ràng, lực tương tác giữa các điện tích điểm đặt trong điện môi đồng tính, chiếm đầy không gian xung quanh điện tích, giảm đi ε lần so với khi chúng được đặt trong chân không.

(1.2)

Đại lượng ε chỉ phụ thuộc vào tính chất của điện môi mà không phụ thuộc vào độ lớn các điện tích và khoẳng cách giữa các điện tích. ε được gọi là hằng số điện môi.

Người ta quy ước hằng số điện môi của chân không bằng 1. Trong bảng 1.1, ta chú ý hằng số điện môi của không khí gần bằng 1.

Bảng 1.1 Hằng số điện môi của một số chất

Chất	Hằng số điện môi
Thủy tinh	5 ÷ 10
Sứ	5,5
Êbônit	2,7
Cao su	2,3
Nước nguyên chất	81,0
Dầu hỏa	2,1
Không khí	1,000594

Thí nghiệm Cu-lông được tiến hành trong không khí gần bằng 1 nên kết quả của thí nghiệm cũng được coi là đúng cả trong chân không.

Từ các công thức xác định lực hấp dẫn và lực Cu-lông cho thấy hai lực đó có gì giống nhau, có gì khác nhau ?

CÂU HỎI

1. Có hai vật kích thước nhỏ, nhiễm điện đẩy nhau. Các điện tích trên mỗi vật có dấu như thế nào ?   

2. Có bốn vật A, B, C, D kích thước nhỏ, nhiễm điện. Biết rằng vật A hút vật B nhưng đẩy vật C. Vật C hút vật D. Hỏi vật D hút hay đẩy vật B ?

3. Hãy nêu sự khác nhau giữa nhiễm điện do tiếp xúc và do hưởng ứng.

BÀI TẬP

1. Hãy chọn phát biểu đúng.

Độ lớn của lực tương tác giữa hai điện tích điểm trong không khí

A. tỉ lệ thuận với bình phương khoảng cách giữa hai điện tích.

B. tỉ lệ thuận với khoảng cách giữa hai điện tích.

C. tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa hai điện tích.

D. tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa hai điện tích.

2. Hãy chọn phương án đúng.

Dấu hiệu của các điện tích

,   trên hình 1.7 là :

A. > 0 ; < 0.

B.  < 0 ;

> 0.

C. < 0 ; <0.

D. Chưa biết chắc chắn vì chưa biết độ lớn của , .

Hình 1.7

3. Cho biết trong 22,4 l khí hiđrô ở 0°C và dưới áp suất 1 atm thì có 2.6,02.10^-19  nguyên tử hiđrô. Mỗi nguyên tử hiđrô gồm hai hạt mang điện là prôtôn và êlectron. Hãy tính tổng của các điện tích dương và tổng các điện tích âm trong 1 cm³  khí hiđrô.

4. Tính lực tương tác tĩnh điện giữa một êlectron và prôtôn nếu khoảng cách giữa chúng bằng 5.10^-9  cm. Coi êlection và prôtôn như những điện tích điểm.

Em có biết

MÁY LỌC BỤI

Hình 1.8 Sơ đồ máy lọc bụi.

Sơ đồ của máy lọc bụi được trình bày trên Hình 1.8. Không khí có nhiều bụi được quạt vào máy qua lớp lọc bụi thông thường. Tại đây, các hạt bụi có kích thước lớn bị gạt lại. Dòng không khí có lẫn các hạt bụi kích thước nhỏ vẫn bay lên. Hai lưới 1 và 2 thực chất là hai điện cực: lưới 1 là điện cực dương, lưới 2 là điện cực âm. Khi bay qua lưới 1 các hạt bụi nhiễm điện dương. Do đó, khi gặp lưới 2 nhiễm điện âm, các hạt bụi bị hút vào . Vì vậy, khi qua lưới 2, không khí đã được lọc sạch bụi. Sau đó có thể cho không khí đi qua lớp lọc bằng than để khử mùi. Bằng cách này có thể lọc đến 95% bụi trong không khí.

Máy lọc bụi là một ứng dụng của lực tĩnh điện giữa các điện tích. Ngoài ra, lực tĩnh điện giữa các điện tích còn có nhiều ứng dụng khác trong công nghiệp cũng như trong đời sống. Chẳng hạn, kỹ thuật sơn tĩnh điện là một trong những ứng dụng đó. Muốn sơn vỏ xe ô tô, người ta làm cho sơn và vỏ xe nhiễm điện trái dấu nhau. Khi sơn được phun vào vỏ ô tô, thì các hạt sơn nhỏ li ti sẽ bị hút và bám chắc vào mặt vỏ xe.