Vật lí - Bài 16: Lực tương tác giữa các điện tích | Kết Nối Tri Thức Với Cuộc Sống

– Treo thanh nhựa A bằng một dây chỉ để nó có thể quay tự do rồi dùng len cọ xát với một đầu của nó.

– Quan sát, mô tả và giải thích hiện tượng xảy ra khi:

a) Cọ xát một đầu thanh nhựa B với len rồi đưa lại gần đầu đã được cọ xát của thanh nhựa A (Hình 16.1a).

b) Cọ xát một đầu thanh thuỷ tinh C với lụa rồi đưa lại gần đầu đã được cọ xát của thanh nhựa A (Hình 16.1b).

– Dựa vào Hình 16.2a, vẽ các vectơ lực biểu diễn tương tác giữa các điện tích trong các Hình 16.2b, c còn lại.

– Biểu diễn lực điện tác dụng lên mỗi điện tích đặt tại các đỉnh của một tam giác đều. Biết các điện tích trên đều cùng dấu và cùng độ lớn.

Hình 16.1. Sự hút, đẩy giữa các điện tích

Hình 16.2. Lực tương tác giữa hai điện tích

Độ lớn của lực tương tác giữa các điện tích 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 culông (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 mà ta đang 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.

2. Định luật Coulomb

Coulomb rằng độ lớn của lực tương 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 độ lớn của hai điện tích điểm và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.

(16.1)

Trong đó: r là khoảng cách giữa hai điện tích điểm k là hệ số tỉ lệ có độ lớn phụ thuộc vào môi trường đặt điện tích và hệ đơn vị sử dụng.

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

EM CÓ BIẾT

Thí nghiệm cân xoắn Coulomb

 Hình 16.4. Cân xoắn Coulomb

A: Quả cầu kim loại được giữ cố định.

B: Quả cầu kim loại giống hệt A, được gắn vào một đầu của thanh ngang làm bằng chất cách điện.

C: Quả cầu đối trọng của B để giữ thanh ngang cân bằng.

D: Dây treo có tính đàn hồi chống lại sự xoắn.

E: Chốt quay để thay đổi vị trí của thanh ngang.

G: Bảng chia độ.

Tích điện cho quả cầu A. Cho quả cầu B chưa tích điện tiếp xúc với quả cầu A. Khi đó, quả cầu A sẽ truyền cho quả cầu B một nửa điện tích của nó và đẩy quả cầu này ra xa nhờ lực tĩnh điện. Lực đẩy tĩnh điện của hai quả cầu làm xoắn dây treo D. Góc xoắn giữa hai quả cầu được xác định nhờ bảng chia độ G trên hình trụ. Từ đó, xác định được độ lớn của lực tương tác giữa hai quả cầu và quan hệ của lực này với độ lớn của điện tích và khoảng cách giữa hai quả cầu.

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

Trong đó, có là một hằng số điện: . Do đó, định luật Coulomb đối với các điện tích điểm đặt trong chân không có biểu thức:

(16.2)

hoặc , với (16.3)

Hình 16.5. Lực tương tác giữa hai điện tích điểm

EM CÓ BIẾT

Khi các điện tích đặt trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng, lực tương tác giữa các điện tích giảm đi ε lần so với lực tương tác trong chân không.

ε gọi là hằng số điện môi của môi trường đặt điện tích.

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 và đặt cách nhau 10 cm trong chân không. Chọn tỉ lệ 1 cm ứng với 2 cm khi vẽ khoảng cách giữa hai điện tích và 1 cm ứng với 0,4 N khi vẽ độ lớn vectơ lực tương tác giữa hai điện tích. Lấy

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

b) Giữ nguyên độ lớn điện tích hai quả cầu như ở câu a nhưng 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 so với câu a.

Giải:

a) Theo định luật Coulomb: 

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 ≈ 0,2 N.

c) Vì lực điện tỉ lệ thuận với tích của và nên khi giảm đi một nửa thì lực điện cũng giảm đi một nửa: F ≈ 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 ; điện tích của electron và proton có độ lớn bằng nhau . Lấy

4. Hai điện tích điểm ; đặt cách nhau 0,2 m trong không khí. Phải đặt một điện tích ở vị trí nào để lực điện do và  tác dụng lên điện tích này bằng 0?

EM ĐÃ HỌC

• Có hai loại điện tích trái 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 culông (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:

với

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

Súng phun sơn

Vật cần sơn

EM 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 khí

Không khí bẩn

Không khí sạch

(1): Lớp lọc bụi có kích thước lớn.

(2), (3): Lưới lọc tĩnh điện.

(4): Lớp lọc vi khuẩn.

(5): Quạt.

(6): Nguồn điện.