Điều gì quyết định hai vật hút hay đẩy nhau?
Hai vật nhiễm điện có thể hút hoặc đẩy nhau. Ta cần xác định dấu điện tích để biết chiều, rồi dùng khoảng cách và độ lớn điện tích để tính lực.
Định luật Coulomb và chiều của lực điện
Điện tích cùng dấu đẩy nhau, trái dấu hút nhau. Điện tích điểm là mô hình khi kích thước vật nhỏ so với khoảng cách đang xét. Trong chân không (gần đúng trong không khí):
$$F=k\frac{|q_1q_2|}{r^2},\qquad k\approx9\times10^9\ \mathrm{N\,m^2/C^2}.$$
r là khoảng cách giữa hai điện tích, tính bằng m; q tính bằng C. Lực trên hai điện tích có cùng độ lớn, ngược chiều, đặt lên hai vật khác nhau. Nếu một điện tích lớn hơn, không có nghĩa nó chịu lực lớn hơn.
Dùng độ lớn tích điện tích để tính F, rồi mô tả chiều riêng. Chú ý 1 μC = 10⁻⁶ C và khoảng cách được bình phương.
Điện tích thay đổi do đâu?
Một vật nhận thêm electron thì có điện tích âm; mất bớt electron thì có điện tích dương. Độ lớn điện tích của một electron là e ≈ 1,6 × 10⁻¹⁹ C. Nếu vật chỉ thừa electron và có q = −3,2 × 10⁻⁹ C thì số electron thừa N = |q|/e = 2,0 × 10¹⁰. Dấu âm chỉ loại điện tích, không phải số hạt âm.
Trong hệ cô lập về điện, tổng đại số điện tích được bảo toàn. Với hai quả cầu kim loại giống nhau, đặt trong điều kiện đối xứng, cho tiếp xúc rồi tách ra, điện tích chia đều. Ví dụ tổng +6 nC và −2 nC là +4 nC, mỗi quả cầu sau tiếp xúc có +2 nC. Không cộng hai độ lớn thành 8 nC. Với hai vật khác cấu tạo/kích thước, không tự dùng quy tắc chia đôi.
Ví dụ: lực giữa hai điện tích trái dấu
Hai điện tích +2 μC và −3 μC cách 0,30 m trong không khí. $F=9\times10^9\times(2\times10^{-6})(3\times10^{-6})/0{,}30^2=0{,}60$ N. Hai lực là lực hút, mỗi lực hướng từ điện tích đang xét về điện tích kia.
Áp dụng
Giữ điện tích, tăng khoảng cách gấp ba thì lực điện còn
Phải bình phương tỉ số khoảng cách.
Đúng: 1/3².
Khoảng cách tăng làm lực giảm.
Quan hệ đang bị đảo.
Lời giải
$F\propto 1/r^2$ khi hai điện tích giữ nguyên; $r$ tăng $3$ lần thì $F$ còn $1/3^2=1/9$ ban đầu.
Áp dụng
Hai điện tích có độ lớn khác nhau hút nhau. So sánh độ lớn lực điện chúng tác dụng lên nhau.
Hai lực có cùng độ lớn, ngược chiều nhưng đặt lên hai vật khác nhau; không triệt tiêu khi xét riêng một vật.
Đúng. Cặp lực tương tác tuân theo định luật III Newton.
Độ lớn hai lực tương tác luôn bằng nhau dù độ lớn điện tích khác.
Hai lực bằng độ lớn; gia tốc của hai vật có thể khác vì khối lượng khác.
Lời giải
Theo định luật III Newton và định luật Coulomb, hai lực hút có cùng độ lớn, ngược chiều. Mỗi lực đặt lên một điện tích khác nhau, nên không cộng chúng để xét riêng một vật. Chọn B.
Ví dụ: tổng hợp hai lực điện trên cùng một vật
Tại điện tích đang xét, hai điện tích khác gây ra hai lực vuông góc, độ lớn 0,030 N và 0,040 N. Vẽ cả hai vectơ cùng gốc tại vật, dùng quy tắc hình bình hành: hợp lực có độ lớn √(0,030² + 0,040²) = 0,050 N, hướng theo đường chéo nằm giữa hai lực.
Nếu các lực cùng phương thì cộng đại số sau khi chọn chiều dương; nếu hợp góc khác 90° thì chiếu lên hai trục hoặc dùng hệ thức cos phù hợp. Không cộng 0,030 + 0,040 cho hai lực vuông góc.
Trong điện môi đồng nhất, đẳng hướng có hằng số điện môi ε_r được cho, mô hình Coulomb dùng F = k|q₁q₂|/(ε_r r²). Ví dụ ε_r = 2 thì lực bằng nửa giá trị trong chân không nếu q và r giữ nguyên. Không tự đặt một ε_r khi đề không nêu môi trường phù hợp.
Những điều cần nhớ
Tính độ lớn bằng Coulomb, tìm chiều bằng dấu điện tích. Không cộng cặp lực đặt lên hai vật khi xét một vật.
Đang học