I. Điện tích và tương tác điện: Khám phá thế giới tĩnh điện
1. Sự nhiễm điện của vật thể
Bạn đã bao giờ chải tóc và thấy tóc dựng lên, hoặc thấy quần áo dính vào nhau sau khi giặt? Đó là do hiện tượng nhiễm điện. Nhiễm điện xảy ra khi các vật thể, như thanh thủy tinh, thanh nhựa hoặc mảnh vải, cọ xát với các vật liệu khác như dạ hoặc lụa. Quá trình này làm cho các vật thể có khả năng hút các vật nhẹ như mẩu giấy hoặc sợi bông.
Ví dụ:
- Khi cọ xát thanh thủy tinh vào lụa, cả hai vật đều trở nên nhiễm điện.
- Một vật dẫn A không nhiễm điện sẽ nhiễm điện cùng dấu với vật nhiễm điện B khi tiếp xúc với B.
- Nếu đưa đầu A của thanh kim loại AB lại gần vật nhiễm điện C, đầu A sẽ tích điện trái dấu với C, còn đầu B sẽ tích điện cùng dấu với C.
2. Điện tích điểm: Mô hình hóa điện tích
Vật thể nhiễm điện được gọi là vật mang điện, vật tích điện, hoặc vật chứa điện tích. Để đơn giản hóa việc nghiên cứu, ta thường sử dụng khái niệm “điện tích điểm”. Điện tích điểm là một vật tích điện có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách đến điểm mà ta xét, cho phép ta coi điện tích như tập trung tại một điểm duy nhất.
3. Tương tác điện: Lực hút và lực đẩy
Các điện tích tương tác với nhau thông qua lực điện. 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.
Lực tương tác giữa hai điện tích có các đặc điểm sau: là hai lực trực đối, cùng phương, ngược chiều, có độ lớn bằng nhau và đặt vào hai điện tích. Đây là một trong những tương tác cơ bản của tự nhiên, chi phối nhiều hiện tượng vật lý quan trọng.
II. Định luật Coulomb: Đo lường lực điện
1. Nội dung định luật Coulomb
Năm 1785, nhà bác học người Pháp Charles-Augustin de Coulomb đã công bố định luật mang tên ông, mô tả chính xác lực tương tác giữa các điện tích điểm.
Định luật Coulomb phát biểu: Lực hút hay đẩy giữa hai điện tích điểm 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. Lực này còn được gọi là lực điện hay lực Coulomb.
2. Biểu thức định luật Coulomb
Biểu thức toán học của định luật Coulomb như sau:
(F=k.dfrac{|q_{1}q_{2}|}{varepsilon r^{2}})
Trong đó:
- F: lực tương tác giữa hai điện tích (đơn vị: Newton, N)
- r: khoảng cách giữa hai điện tích (đơn vị: mét, m)
- (q_1, q_2): độ lớn của hai điện tích (đơn vị: Coulomb, C)
- ε: hằng số điện môi của môi trường chứa điện tích (không có đơn vị)
- k: hằng số Coulomb, có giá trị (k=9.10^9 dfrac{N.m^2}{C^2}) trong hệ đơn vị SI.
3. Hằng số điện môi: Ảnh hưởng của môi trường
Điện môi là môi trường cách điện (ví dụ: không khí, dầu, thủy tinh). Khi đặt các điện tích trong một môi trường điện môi đồng tính, lực tương tác giữa chúng sẽ yếu đi so với khi đặt trong chân không. Mức độ suy giảm lực tương tác được đặc trưng bởi hằng số điện môi (ε) của môi trường đó.
Hằng số điện môi cho biết khi đặt điện tích trong chất đó thì lực tương tác giữa các điện tích sẽ nhỏ đi bao nhiêu lần so với khi đặt chúng trong chân không. Đối với chân không, ε = 1, còn đối với các môi trường khác, ε > 1.
4. Nguyên lý chồng chất lực điện: Tổng hợp lực từ nhiều điện tích
Trong trường hợp có nhiều điện tích cùng tác dụng lên một điện tích, lực tổng hợp tác dụng lên điện tích đó được tính bằng nguyên lý chồng chất lực điện.
Giả sử có n điện tích điểm q1, q2,…, qn tác dụng lên điện tích điểm q các lực tương tác tĩnh điện (overrightarrow {{F_1}} ,overrightarrow {{F_2}} ,…,overrightarrow {{F_n}} ), thì lực điện tổng hợp do các điện tích điểm trên tác dụng lên điện tích q được tính bằng tổng vectơ của các lực thành phần:
(overrightarrow F = overrightarrow {{F_1}} + overrightarrow {{F_2}} + … + overrightarrow {{F_n}} )
Nguyên lý này cho phép ta tính toán lực điện trong các hệ điện tích phức tạp.
Sơ đồ tư duy về điện tích, định luật Cu-lông