Điện tích điểm là gì? Lực tương tác giữa hai điện tích điểm?

Điện tích – Định luật Culong là phần kiến thức rất rất quan trọng trong đề thi học kì lớp 11 và đề thi Trung học Phổ thông Quốc Gia môn Vật Lí ở lớp 12. Dưới đây là kiến thức lý thuyết về điện tích điểm nhằm cung cấp thông tin bổ ích cho các bạn.

1. Điện tích điểm là gì? 

Sự nhiễm điện của các vật

Dựa vào hiện tượng hút các vật nhẹ để kiểm tra xem một vật có nhiễm điện hay không.

Ví dụ: khi cọ xát những vật như thanh thuỷ tinh, thanh nhựa, mảnh pôliêtilen,… vào dạ hoặc lụa,… thì những vật đó sẽ có thể hút được những vật nhẹ như mẩu giấy, sợi bông,… vì chúng đã bị nhiễm điện.

Vật bị nhiễm điện còn gọi là vật mang điện, vật tích điện hay là một điện tích. Điện là một thuộc tính của vật và điện tích là số đo độ lớn của thuộc tính đó.

Điện tích điểm là một vật tích điện có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách tới điểm mà ta xét.

– Các điện tích hoặc đẩy nhau hoặc hút nhau. Sự đẩy nhau hay hút nhau giữa các điện tích đó là tương tác điện.

– Có hai loại điện tích là điện tích dương và điện tích âm các loại điện tích cùng dấu thì đẩy nhau các loại điện tích khác dấu thì hút nhau. Hay lực tác động tác dụng vào hai điện tích là hai lực trực đối cùng Phương ngược chiều độ lớn bằng nhau và đặt vào hai điện tích

2. Lực tương tác giữa hai điện tích điểm : 

Lực tương tác giữa hai điện tích điểm q1 và q2 (nằm yên, đặt trong chân không) cách nhau đoạn r có:

– Phương là đường thẳng nối hai điện tích.

– Chiều là: chiều lực đẩy nếu q1q2 > 0 (cùng dấu). chiều lực hút nếu q1q2 < 0 (trái dấu).

– Độ lớn:

* Tỉ lệ thuận với tích các độ lớn của hai điện tích.

* Tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.

Trong đó:

k = 9.109 N.m2/C2

q1, q2: độ lớn hai điện tích (C)

r: khoảng cách hai điện tích (m)

ε: hằng số điện môi.

Lực tương tác giữa hai điện tích điểm đặt trong điện môi đồng tính: khi hai điện tích đặt trong môi trường điện môi thì lực tương tác giữa chúng sẽ yếu đi $\epsilon$ lần. $\epsilon$ được gọi là hằng số điện môi.

Chú ý: $\epsilon \ge 1$; Với chân không $\epsilon =1.$

Lực tương tác giữa các vật mang điện phụ thuộc vào môi trường xung quanh chúng. Thí nghiệm chứng tỏ rằng, ở một khoảng cách nhất định, lực Coulomb giữa hai điện tích đặt trong điện môi đồng chất nhỏ hơn lực tác dụng giữa chúng trong chân không ε lần (đọc là epxilon). Đây là một hằng số phụ thuộc vào tính chất của điện môi mà không phụ thuộc vào độ lớn và khoảng cách giữa các điện tích. Nó được gọi là hằng số điện môi của môi trường, đặc trưng cho tính chất điện của môi trường đó. Nó là đại lượng không có thứ nguyên; tức là một số thuần tuý, không có đơn vị.

Ý nghĩa của hằng số điện môi:

– Điện môi là một môi trường cách điện

– Khi đặt các điện tích điểm trong một điện môi đồng tính chiếm đầy không gian xung quanh các điện tích, thì lực tương tác sẽ yếu đi e lần so với khi đặt chúng trong chân không. A được gọi là hằng số điện môi của môi trường đối với chân không thì e bằng một còn đối với các môi trường khác thì e > 1

– Hằng số điện môi là một đặc trưng quan trọng cho tính chất điện của một chất cách điện. Nó 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.

3. Định luật culong: 

– Năm 1785, Cholon là nhà bác học người Pháp lần đầu tiên lập được định luật về sự phụ thuộc của lực tương tác giữa các điện tích điểm gọi tắt là lực biển hay là lực Cu-lông vào khoảng cách giữa chúng.

– Nội dung: lực hút hay đẩy giữa hai điện tích có điểm có phương chung với đường thẳng nối hai điện tích đó, có độ lớn tỷ lệ thuận với độ lớn của hai điện tích và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.

Biểu thức:

Trong đó:

k = 9.109 N.m2/C2

q1, q2: độ lớn hai điện tích (C)

r: khoảng cách hai điện tích (m)

ε: hằng số điện môi.

Nguyên lý chồng chất lực điện: Giả sử có n điện tích điểm q1, q2,….,qn tác dụng lên điện tích điểm q những lực tương tác tĩnh điện F1, F2, …Fn thì lực điện tổng hợp do các điện tích điểm trên tác dụng lên điện tích q tuân theo nguyên lý chồng chất lực điện.

F = F1 + F2 + F3 …+ Fn

Một số hiện tượng:

Khi cho 2 quả cầu nhỏ nhiễm điện tiếp xúc sau đó tách nhau ra thì tổng điện tích chia đều cho mỗi quả cầu

Hiện tượng xảy ra tương tự khi nối hai quả cầu bằng dây dẫn mảnh rồi cắt bỏ dây nối

Khi chạm tay vào quả cầu nhỏ dẫn điện đã tích điện thì quả cầu mất điện tích và trở về trung hòa

4. Phương pháp giải bài tập định luật Culong: 

Dạng 1. Tương tác tĩnh điện giữa hai điện tích điểm

– Áp dụng công thức tổng quát cho mọi môi trường:

ε là hằng số điện môi của môi trường, riêng chân không hoặc không khí thì ta lấy ε = 1.

– Nếu tính thêm lực hút của Trái Đất  thì ta vẽ lực này có phương thẳng đứng, chiều hướng xuống. Dùng phép tổng hợp lực theo quy tắc hình bình hành

Ví dụ minh họa:

1, Hai điện tích q1 = 6.10-8C và q2= 3.10-7C đặt cách nhau 3cm trong chân không.

a. Tính lực tương tác giữa chúng.

b. Để lực này tăng lên 4 lần thì khoảng cách giữa chúng là bao nhiêu

c. Đưa hệ này vào nước có ε = 81 thì lực tương tác giống câu a. Tìm khoảng cách giữa hai điện tích lúc này.

2. Hai điện tích điểm bằng nhau, đặt trong chân không cách nhau một khoảng r1 = 2 cm. Lực tương tác giữa chúng là 1,6.10-4 N.

a) Tìm độ lớn hai điện tích đó?

b) Khoảng cách r2 giữa chúng là bao nhiêu để lực tác dụng giữa chúng là 2,5.10-4 N?

Đáp số: r = 1.6 cm

Dạng 2. Tìm lực tổng hợp do nhiều điện tích tác dụng lên một điện tích

Bước 1: Tính độ lớn của các lực thành phần.

Bước 2: Vẽ hình, trong hình vẽ biểu diễn các lực thành phần tác dụng lên điện tích.

Bước 3: Viết biểu thức (vectơ) lực tổng hợp:

Bước 4: Nhóm thành các nhóm nhỏ, mỗi nhóm gồm hai lực để vận dụng quy tắc hình bình hành.

Bước 5: Chuyển biểu thức vectơ về biểu thức đại số. Giải phương trình hoặc hệ phương trình để tìm các đại lượng cần tìm.

Các trường hợp đặc biệt:

Ví dụ minh họa:

1. Hai điện tích q1 = 8.10-8 C và q2 = -8.10-8 C đặt tại A và B trong không khí cách nhau một khoảng AB = 6 cm. Xác định lực điện tác dụng lên q3 = 8.10-8 C đặt tại C nếu :

a) CA = 4 cm và CB = 2 cm.

b) CA = 4 cm và CB = 10 cm.

Đáp số:

a) F = F₁ + F₂ = 0,18 N

b) F = F₁ – F₂ = 30,24.10^-3 N

2. Hai điện tích điểm q1 = -10-7 C và q2 = 5.10-8 C đặt tại hai điểm A và B trong chân không cách nhau 5 cm. Xác định lực điện tổng hợp tác dụng lên điện tích q0 = 2.10-8 C đặt tại điểm C sao cho CA = 3 cm, CB = 4 cm.

5. Bài tập vận dụng: 

Bài 5 – SGK Vật Lí 11 – Trang 10: Chọn câu đúng. Khi tăng đồng thời độ lớn của hai điện tích điểm và khoảng cách giữa chúng lên gấp đôi thì lực tương tác giữa chúng.

A. tăng lên gấp đôi.

B. giảm đi một nửa.

C. giảm đi bốn lần.

D. không thay đổi.

Bài 6 – SGK Vật Lí 11 – Trang 10: Trong các trường hợp nào sau đây, ta có thể coi các vật nhiễm điện là các điện tích điểm ?

A. Hai thanh nhựa đặt cạnh 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.

Bài 7 – SGK Vật Lí 11 – Trang 10:

Nêu điểm giống nhau và khác nhau giữa định luật Cu-lông và định luật vạn vật hấp dẫn.

Bài 8 – SGK Vật Lí 11 – Trang 10:

Hai quả cầu nhỏ mang hai điện tích có độ lớn bằng nhau, đặt cách nhau 10cm trong chân không thì tác dụng lên nhau một lực là 9.10−3N. Xác định điện tích của hai quả cầu đó.