Bài 1: Lực tương tác giữa các điện tích

I. LỰC HÚT VÀ LỰC ĐẦY GIỮA CÁC ĐIỆN TÍCH

1. Điện tích

Ở lớp 8, bạn đã làm các thí nghiệm chứng tỏ rằng, khi cọ xát những vật như thanh thuỷ tinh, thanh nhựa,.... vào dạ hoặc lụa,.... thì những vật đó có thể hút được những vật nhẹ như mẫu xốp, vụn giấy,... Ta nói rằng những vật đó đã bị nhiễm điện.

Vật bị nhiễm điện còn được gọi là vật mang điện hoặc vật tích điện.

Có hai loại điện tích, một loại được gọi là điện tích dương, loại kia là điện tích âm.

Ví dụ, cọ xát thanh nhựa với mảnh vải len (Hình 1.1) thì thanh nhựa tích điện âm còn mảnh vải tích điện dương. Sở dĩ như vậy là do ma sát làm cho một số electron chuyển từ vài sang thanh nhựa làm cho thanh nhựa tích điện âm còn mảnh vải tích điện dương. Ngược lại, cọ xát thanh thuỷ tinh với mảnh vải lụa thì thanh thuỷ tinh tích điện dương vì nó bị mất một số electron vào vải do cọ xát.

Các vật tích điện có thể có kích thước khác nhau. Ta gọi một vật tích điện có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách đến điểm đang xét là một điện tích điểm.

2. Tương tác giữa các điện tích

Sự hút hoặc đẩy giữa các điện tích được gọi là sự tương tác điện.

Thực nghiệm cho biết các điện tích trái dấu thì hút nhau, các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau.

Treo một thanh thuỷ tỉnh có một đầu đã được tích điện dương bằng một sợi chỉ (Hình 1.2). Đưa một thanh thuỷ tinh khác có một đầu đã được tích điện dương lại gần, chúng đẩy nhau (Hình 1.2a). Đưa một thanh nhựa có một đầu đã được tích điện âm lại gần, chúng hút nhau (Hình 1.2b).

Các vật đã tích điện cũng có thể hút các vật chưa được tích điện. Ví dụ, một thanh đồng trung hoà điện được treo bằng một sợi dây cách điện. Đưa thanh nhựa đã tích điện âm lại gần một đầu của thanh đồng thì các electron tự do trong thanh đồng bị đẩy về đầu xa, đầu gần với thanh nhựa tích điện dương nên bị hút về thanh nhựa (Hình 1.3). Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng nhiễm điện do hưởng ứng. Khi lấy thanh nhựa đi, các electron tự do được sắp xếp lại như cũ, thanh đồng lại trung hoà điện.

Có thể tích điện cho một quả cầu kim loại và thử nghiệm tương tác của nó với vật khác bằng thí nghiệm sau đây.

II. ĐỊNH LUẬT COULOMB (CU-LÔNG)

Năm 1785, Coulomb đề xuất định luật mô tả lực tác dụng của một hạt mang điện lên hạt mang điện khác.

1. Lực tương tác giữa các điện tích điểm đặt trong chân không

Coulomb đã dùng một cân xoắn để đo lực đẩy giữa hai quả cầu nhỏ tích điện cùng dấu, A và B (Hình 1.5). Quả cầu kim loại A được gắn ở đầu một thanh thẳng đứng cố định. Quả cầu kim loại B được gắn ở đầu một thanh nằm ngang. Thanh này được treo bằng một sợi dây mảnh và đàn hồi. Khi hai quả cầu đẩy nhau, thanh ngang sẽ quay cho đến khi lực đẩy này cân bằng với lực đàn hồi 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. Hai quả cầu nhỏ này được coi là những điện tích điểm có điện tích là \(q_1\) và \(q_2.\)

Từ các kết quả thí nghiệm của mình, Coulomb đã phát biểu định luật sau đây :

Lực hút hoặc 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.

\(F=k\dfrac{\left|q_1q_2\right|}{r^2}\)

Ở biểu thức này, \(F\) được đo bằng đơn vị niutơn (N); \(r\) được đo bằng đơn vị mét (m); \(q_1\) và \(q_2\) được đo bằng đơn vị culông, kí hiệu là C, \(k=\dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\) , \(\varepsilon_0\) là hằng số điện và có giá trị là \(\varepsilon_0=8,85.10^{-12}\dfrac{C^2}{N.m^2}\),

giá trị của \(k\) là : \(k=9.10^9\dfrac{N.m^2}{C^2}\)

2. Lực tương tác giữa các điện tích điểm đặt trong điện môi (chất cách điện)

Thực nghiệm cho biết, khi đặt các điện tích điểm trong một điện môi đồng tính thì lực tương tác điện giữa chúng giảm đi \(\varepsilon\) lần so với khi đặt chúng trong chân không. Đại lượng \(\varepsilon\) được gọi là hằng số điện môi của môi trường. Trong trường hợp này, biểu thức của định luật Coulomb là :

\(F=k\dfrac{\left|q_1q_2\right|}{\varepsilon r^2}\)

Như vậy, hằng số điện môi của chân không là \(\varepsilon\) = 1.

III. VÍ DỤ ÁP DỤNG ĐỊNH LUẬT COULOMB

Cho hai điện tích điểm, mỗi điện tích có độ lớn \(q=1,0.10^{-9}C\), được đặt cách nhau 4,0 cm trong chân không. Tính và biểu diễn bằng hình vẽ lực điện tương tác giữa hai điện tích này.

Lời giải

Độ lớn của lực

\(F=k\dfrac{\left|q_1q_2\right|}{r^2}\)

Thay số, với \(q_1=q_2=1,0.10^{-9}\) C; \(r=\) 4,0 cm

ta được \(F=5,6.10^{-6}\) N

Phương và chiều của lực

Phương trùng với đường thẳng nối hai điện tích, chiều như Hình 1.6.