Định luật Cu-lông là nền tảng để hiểu về tương tác giữa các điện tích. Vậy định luật này phát biểu như thế nào? Điện tích là gì? Công thức và biểu thức của định luật Cu-lông được viết ra sao? Hãy cùng khám phá chi tiết qua bài viết sau.
I. Điện Tích và Tương Tác Điện: Khái Niệm Cơ Bản
1. Sự Nhiễm Điện của Vật Thể
Một vật được xem là nhiễm điện khi nó có khả năng hút các vật nhẹ khác. Có ba phương pháp nhiễm điện chính:
- Nhiễm điện do cọ xát: Chà xát hai vật với nhau có thể làm chúng nhiễm điện.
- Nhiễm điện do tiếp xúc: Cho một vật nhiễm điện chạm vào một vật khác.
- Nhiễm điện do hưởng ứng: Đặt một vật gần vật nhiễm điện, các điện tích trong vật kia sẽ phân bố lại.
Ví dụ, khi cọ xát thanh thủy tinh, thanh nhựa hoặc mảnh polyetylen vào dạ hoặc lụa, chúng có thể hút được các vật nhẹ như mẩu giấy, sợi bông do đã bị nhiễm điện.
Sự nhiễm điện do cọ xát, thanh nhựa hút các mẩu giấy nhỏ sau khi cọ xát
2. Điện Tích và Điện Tích Điểm
- Vật nhiễm điện còn được gọi là vật mang điện, vật tích điện hay đơn giản là một điện tích. Điện tích là đại lượng đặc trưng cho khả năng tương tác điện của vật.
- Điện tích điểm là vật tích điện có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách đến điểm ta xét. Khái niệm này giúp đơn giản hóa việc tính toán lực điện.
3. Tương Tác Điện và Các Loại Điện Tích
- Tương tác điện là sự hút hoặc đẩy giữa các điện tích.
- Có hai loại điện tích: điện tích dương (+) và điện tích âm (-).
- Các điện tích cùng loại (cùng dấu) đẩy nhau.
- Các điện tích khác loại (khác dấu) hút nhau.
II. Định Luật Cu-lông: Lực Tương Tác Điện
1. Phát Biểu Định Luật Cu-lông
Định luật Cu-lông mô tả lực tương tác giữa hai điện tích điểm đứng yên trong chân không:
- Phát biểu: 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.
Định luật Cu-lông: Lực tương tác giữa hai điện tích q1 và q2
2. Công Thức Định Luật Cu-lông
Công thức toán học của định luật Cu-lông như sau:
F = k * |q1 * q2| / r²Trong đó:
- F: Độ lớn của lực tương tác Cu-lông, đơn vị Newton (N).
- k: Hằng số Cu-lông, k ≈ 8.9875 × 10⁹ N⋅m²/C².
- q1, q2: Độ lớn của hai điện tích, đơn vị Coulomb (C).
- r: Khoảng cách giữa hai điện tích, đơn vị mét (m).
3. Lực Tương Tác trong Môi Trường Điện Môi
a) Điện môi: Môi trường cách điện.
b) Ảnh hưởng của điện môi: Thực nghiệm cho thấy, khi đặt các điện tích điểm trong một điện môi đồng tính, lực tương tác giữa chúng sẽ yếu đi ε lần so với khi đặt chúng trong chân không.
- ε (epsilon) được gọi là hằng số điện môi của môi trường (ε ≥ 1). Mỗi chất điện môi có một hằng số điện môi đặc trưng.
Công thức định luật Cu-lông trong môi trường điện môi:
F = k * |q1 * q2| / (ε * r²)Đối với chân không, ε = 1.
c) Ý nghĩa của hằng số điện môi: Hằng số điện môi cho biết, khi đặt các điện tích trong một chất cách điện, lực tác dụng giữa chúng sẽ nhỏ đi bao nhiêu lần so với khi đặt chúng trong chân không.
III. Bài Tập Vận Dụng
Bài 1: Điện tích điểm là gì?
Trả lời: Điện tích điểm là một vật tích điện có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách tới điểm mà ta xét.
Bài 2: Phát biểu định luật Cu-lông.
Trả lời: 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 và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.
Bài 3: Lực tương tác giữa các điện tích khi đặt trong một điện môi sẽ lớn hay nhỏ hơn khi đặt trong chân không?
Trả lời: Lực tương tác giữa các điện tích đặt trong điện môi sẽ nhỏ hơn khi đặt trong chân không vì hằng số điện môi của chân không có giá trị nhỏ nhất (ɛ=1).
Bài 4: Hằng số điện môi của một chất cho ta biết điều gì?
Trả lời: Hằng số điện môi của một chất cho biết khi đặt các điện tích trong môi trường điện môi đó thì lực tương tác Cu-lông giữa chúng sẽ giảm đi bao nhiêu lần so với khi đặt chúng trong chân không.
Bài 5: Khi tăng đồng thời độ lớn của mỗi điện tích điểm và khoảng cách giữa chúng lên gấp đôi thì lực tương tác giữa chúng thay đổi như thế nào?
Trả lời: Không thay đổi. Gọi F là lực tương tác ban đầu, ta có F = k |q1 q2| / r². Khi tăng q1, q2 và r lên gấp đôi, ta có F’ = k |2q1 2q2| / (2r)² = k |q1 q2| / r² = F.
Bài 6: Trong trường hợp nào sau đây, ta có thể coi các vật nhiễm điện là các điện tích điểm?
A. Hai thanh nhựa đặt gần nhau.
B. Một thanh nhựa và một quả cầu đặt gần nhau.
C. Hai quả cầu nhỏ đặt xa nhau.
D. Hai quả cầu lớn đặt gần nhau.
Trả lời: C. Hai quả cầu nhỏ đặt xa nhau. Vì định luật Cu-lông chỉ xét cho các điện tích điểm (có kích thước nhỏ so với khoảng cách giữa chúng).
Bài 7: Nêu những điểm giống nhau và khác nhau giữa định luật Cu-lông và định luật vạn vật hấp dẫn.
Trả lời:
| Đặc điểm | Định luật Vạn vật hấp dẫn | Định luật Cu-lông |
|---|---|---|
| Giống nhau | – Chỉ xét cho các vật/điện tích được coi là chất điểm. | – Lực tương tác tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. |
| Khác nhau | F = (G m1 m2) / R² | F = (k * |
| – Tỉ lệ thuận với tích khối lượng hai vật. | – Tỉ lệ thuận với tích độ lớn hai điện tích. | |
| – Là lực cơ học. | – Là lực điện. | |
| – Lực hấp dẫn không đổi khi môi trường thay đổi. | – Lực tương tác thay đổi khi đặt trong môi trường điện môi. |
Bài 8: Hai quả cầu nhỏ mang hai điện tích có độ lớn bằng nhau, đặt cách xa nhau 10 cm trong không khí thì tác dụng lên nhau một lực 9.10⁻³ N. Xác định điện tích của quả cầu đó.
Hướng dẫn giải:
- Đổi 10 cm = 0.1 m.
- Áp dụng công thức: F = k * q² / r² (vì |q1| = |q2| = q và ε = 1 trong không khí).
- Suy ra: q = √(F r² / k) = √(9.10⁻³ 0.1² / 8.9875 × 10⁹) ≈ 10⁻⁷ C.
- Vậy điện tích của mỗi quả cầu là khoảng 10⁻⁷ Coulomb.
Kết luận
Định luật Cu-lông là một trong những định luật cơ bản của điện học, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về tương tác giữa các điện tích và là nền tảng cho nhiều ứng dụng trong kỹ thuật và đời sống. Việc nắm vững định luật này sẽ giúp bạn giải quyết các bài tập và hiểu sâu hơn về các hiện tượng điện.