Bài học

Điện tích và tương tác điện

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em phân biệt được điện tích dương và điện tích âm, giải thích được hiện tượng nhiễm điện bằng sự dịch chuyển electron giữa hai vật, tính được số electron dư hoặc thiếu của một vật khi biết độ lớn điện tích của nó qua điện tích nguyên tố $e$ , và xác định đúng khi nào hai vật mang điện đẩy nhau, khi nào chúng hút nhau.

Sau bài này, em phân biệt được điện tích dương và điện tích âm, giải thích được hiện tượng nhiễm điện bằng sự dịch chuyển electron giữa hai vật, tính được số electron dư hoặc thiếu của một vật khi biết độ lớn điện tích của nó qua điện tích nguyên tố $e$, và xác định đúng khi nào hai vật mang điện đẩy nhau, khi nào chúng hút nhau.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở lớp 7, môn Khoa học tự nhiên đã cho em thấy một chiếc thước nhựa cọ vào áo len có thể hút những mẩu giấy vụn — đó là hiện tượng nhiễm điện do cọ xát (prior-grade review). Vật lí 11 không dừng lại ở việc quan sát hiện tượng đó, mà đi sâu vào bản chất: vì sao cọ xát lại khiến một vật "nhiễm điện", và điện tích của vật ấy được đo bằng đại lượng nào.

Khởi động

Cọ một chiếc lược nhựa vào tóc khô rồi đưa lại gần các mẩu giấy nhỏ, các mẩu giấy bị hút dính vào lược. Bên trong chiếc lược lúc cọ xát đã có điều gì thay đổi, khiến một vật vốn không hút được gì bỗng hút được vật khác? Em thử đoán trước khi đọc tiếp.

Kiến thức trọng tâm

Một điều đặc biệt quan trọng: điện tích của electron có độ lớn $e = 1{,}6 \times 10^{-19}$ C, gọi là điện tích nguyên tố — điện tích nhỏ nhất tồn tại độc lập trong tự nhiên ở mức năng lượng thông thường mà em gặp trong đời sống và phòng thí nghiệm phổ thông. Điện tích của proton có cùng độ lớn $e$ nhưng mang dấu dương. Vì mọi điện tích quan sát được đều do một số nguyên electron thừa hoặc thiếu tạo ra, độ lớn điện tích của bất kì vật nào cũng luôn là một số nguyên lần $e$ : $q = ne$ , với $n$ là số electron dư (nếu vật nhiễm âm) hoặc số electron thiếu (nếu vật nhiễm dương).

Trở lại tình huống khởi động: khi cọ xát lược nhựa vào tóc khô, không có điện tích nào được sinh ra hay mất đi — chỉ có electron dịch chuyển từ vật này sang vật kia do ma sát. Vật nhận thêm electron sẽ dư electron so với proton nên nhiễm điện âm; vật mất bớt electron sẽ thiếu electron so với proton nên nhiễm điện dương. Với lược nhựa cọ vào tóc, lược thường nhận electron từ tóc nên nhiễm điện âm, còn tóc mất electron nên nhiễm điện dương. Nguyên lí đứng sau toàn bộ quá trình này là định luật bảo toàn điện tích: trong một hệ cô lập (không trao đổi điện tích với bên ngoài), tổng đại số điện tích của cả hệ luôn không đổi — electron chỉ chuyển từ vật này sang vật kia, tổng điện tích của cả lược lẫn tóc cộng lại vẫn bằng 0 như trước khi cọ xát.

Ba cách phổ biến để làm một vật nhiễm điện là: nhiễm điện do cọ xát (như ví dụ trên), nhiễm điện do tiếp xúc (chạm một vật đã nhiễm điện vào một vật trung hoà, một phần điện tích san sẻ sang vật kia và cả hai cùng mang điện cùng dấu), và nhiễm điện do hưởng ứng (đưa một vật nhiễm điện lại gần nhưng không chạm vào một vật trung hoà, làm electron trong vật trung hoà dịch chuyển cục bộ, trong khi tổng điện tích của vật đó vẫn bằng 0). Chính nhờ hưởng ứng mà lược nhựa nhiễm điện vẫn hút được mẩu giấy trung hoà: phần điện tích trái dấu với lược trong mẩu giấy bị hút lại gần lược hơn phần cùng dấu, nên lực hút thắng lực đẩy. Trong cả ba cách, nguyên nhân sâu xa vẫn chỉ có một: electron dịch chuyển giữa các vật hoặc dịch chuyển cục bộ bên trong một vật, chưa từng có điện tích nào tự sinh ra từ hư không.

Khi hai vật đã nhiễm điện được đưa lại gần nhau, chỉ cần biết dấu điện tích của từng vật là đủ để dự đoán chúng đẩy hay hút nhau, không cần biết độ lớn điện tích. Đây là điểm khác với định luật Coulomb ở bài sau, nơi độ lớn lực tương tác mới cần đến độ lớn điện tích, không chỉ dấu của chúng.

Định luật bảo toàn điện tích cũng kiểm chứng được bằng số cụ thể: nếu lược nhựa nhận đúng $10^{13}$ electron từ tóc trong lúc cọ xát, lược mang điện tích $-1{,}6\times10^{-6}$ C, còn tóc mang điện tích $+1{,}6\times10^{-6}$ C — hai điện tích này bằng nhau về độ lớn nhưng trái dấu, cộng đại số lại đúng bằng 0, khớp với định luật bảo toàn điện tích đã nêu ở trên.

Vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử, mà mỗi nguyên tử gồm hạt nhân mang điện dương (chứa proton) và các electron mang điện âm chuyển động xung quanh. Bình thường, số proton bằng số electron nên nguyên tử trung hoà về điện. Thực nghiệm cho thấy tồn tại đúng hai loại điện tích: điện tích dương (kí hiệu $+$, giống điện tích của proton) và điện tích âm (kí hiệu $-$, giống điện tích của electron). Hai vật mang điện tích cùng dấu — cùng dương hoặc cùng âm — thì đẩy nhau; hai vật mang điện tích khác dấu thì hút nhau. Đây là quy tắc tương tác cơ bản nhất của tĩnh điện, và mọi hiện tượng nhiễm điện trong bài đều tuân theo đúng quy tắc này. Một điều đặc biệt quan trọng: điện tích của electron có độ lớn $e = 1{,}6 \times 10^{-19}$ C, gọi là điện tích nguyên tố — điện tích nhỏ nhất tồn tại độc lập trong tự nhiên ở mức năng lượng thông thường mà em gặp trong đời sống và phòng thí nghiệm phổ thông. Điện tích của proton có cùng độ lớn $e$ nhưng mang dấu dương. Vì mọi điện tích quan sát được đều do một số nguyên electron thừa hoặc thiếu tạo ra, độ lớn điện tích của bất kì vật nào cũng luôn là một số nguyên lần $e$: $q = ne$, với $n$ là số electron dư (nếu vật nhiễm âm) hoặc số electron thiếu (nếu vật nhiễm dương). Trở lại tình huống khởi động: khi cọ xát lược nhựa vào tóc khô, không có điện tích nào được sinh ra hay mất đi — chỉ có electron dịch chuyển từ vật này sang vật kia do ma sát. Vật nhận thêm electron sẽ dư electron so với proton nên nhiễm điện âm; vật mất bớt electron sẽ thiếu electron so với proton nên nhiễm điện dương. Với lược nhựa cọ vào tóc, lược thường nhận electron từ tóc nên nhiễm điện âm, còn tóc mất electron nên nhiễm điện dương. Nguyên lí đứng sau toàn bộ quá trình này là định luật bảo toàn điện tích: trong một hệ cô lập (không trao đổi điện tích với bên ngoài), tổng đại số điện tích của cả hệ luôn không đổi — electron chỉ chuyển từ vật này sang vật kia, tổng điện tích của cả lược lẫn tóc cộng lại vẫn bằng 0 như trước khi cọ xát. Ba cách phổ biến để làm một vật nhiễm điện là: nhiễm điện do cọ xát (như ví dụ trên), nhiễm điện do tiếp xúc (chạm một vật đã nhiễm điện vào một vật trung hoà, một phần điện tích san sẻ sang vật kia và cả hai cùng mang điện cùng dấu), và nhiễm điện do hưởng ứng (đưa một vật nhiễm điện lại gần nhưng không chạm vào một vật trung hoà, làm electron trong vật trung hoà dịch chuyển cục bộ, trong khi tổng điện tích của vật đó vẫn bằng 0). Chính nhờ hưởng ứng mà lược nhựa nhiễm điện vẫn hút được mẩu giấy trung hoà: phần điện tích trái dấu với lược trong mẩu giấy bị hút lại gần lược hơn phần cùng dấu, nên lực hút thắng lực đẩy. Trong cả ba cách, nguyên nhân sâu xa vẫn chỉ có một: electron dịch chuyển giữa các vật hoặc dịch chuyển cục bộ bên trong một vật, chưa từng có điện tích nào tự sinh ra từ hư không. Khi hai vật đã nhiễm điện được đưa lại gần nhau, chỉ cần biết dấu điện tích của từng vật là đủ để dự đoán chúng đẩy hay hút nhau, không cần biết độ lớn điện tích. Đây là điểm khác với định luật Coulomb ở bài sau, nơi độ lớn lực tương tác mới cần đến độ lớn điện tích, không chỉ dấu của chúng. Định luật bảo toàn điện tích cũng kiểm chứng được bằng số cụ thể: nếu lược nhựa nhận đúng $10^{13}$ electron từ tóc trong lúc cọ xát, lược mang điện tích $-1{,}6\times10^{-6}$ C, còn tóc mang điện tích $+1{,}6\times10^{-6}$ C — hai điện tích này bằng nhau về độ lớn nhưng trái dấu, cộng đại số lại đúng bằng 0, khớp với định luật bảo toàn điện tích đã nêu ở trên.

Số electron dư của mỗi vật tính từ

n = q/e

: vật 1 có

q=3{,}2\times10^{-19}

C nên

n=2

; vật 2 có

q=8{,}0\times10^{-19}

C nên

n=5

; vật 3 có

q=1{,}28\times10^{-18}

C nên

n=8

.Số electron dư của mỗi vật tính từ $n = q/e$: vật 1 có $q=3{,}2\times10^{-19}$ C nên $n=2$; vật 2 có $q=8{,}0\times10^{-19}$ C nên $n=5$; vật 3 có $q=1{,}28\times10^{-18}$ C nên $n=8$.

Ví dụ

Tính số electron dư từ điện tích của một vật

1
Một quả cầu nhỏ nhiễm điện có độ lớn điện tích $q = 3{,}2 \times 10^{-19}$ C. Tính số electron dư (hoặc thiếu) trên quả cầu này.
Một quả cầu nhỏ nhiễm điện có độ lớn điện tích $q = 3{,}2 \times 10^{-19}$ C. Tính số electron dư (hoặc thiếu) trên quả cầu này.
2
Vì độ lớn điện tích của một vật luôn bằng một số nguyên lần điện tích nguyên tố, ta có $q = ne$ , suy ra $n = q/e$ .
Vì độ lớn điện tích của một vật luôn bằng một số nguyên lần điện tích nguyên tố, ta có $q = ne$, suy ra $n = q/e$.
3
$n = \dfrac{3{,}2 \times 10^{-19}}{1{,}6 \times 10^{-19}} = 2$ .
$n = \dfrac{3{,}2 \times 10^{-19}}{1{,}6 \times 10^{-19}} = 2$.
4
Kết quả $n=2$ là một số nguyên dương, phù hợp với việc điện tích luôn là bội nguyên của $e$ ; nếu tính ra $n$ không phải số nguyên, chắc chắn đã có sai sót ở bước chia hoặc đọc sai số liệu đề bài.
Kết quả $n=2$ là một số nguyên dương, phù hợp với việc điện tích luôn là bội nguyên của $e$; nếu tính ra $n$ không phải số nguyên, chắc chắn đã có sai sót ở bước chia hoặc đọc sai số liệu đề bài.
5
Vậy quả cầu dư (hoặc thiếu) đúng $n=2$ electron so với trạng thái trung hoà — một số nguyên, đúng như lí thuyết vừa nêu.
Vậy quả cầu dư (hoặc thiếu) đúng $n=2$ electron so với trạng thái trung hoà — một số nguyên, đúng như lí thuyết vừa nêu.

Ví dụ

Xác định điện tích sau khi cọ xát và dự đoán tương tác (dạng đề thi)

1
Sau khi cọ xát, một thanh nhựa nhận thêm $5\times10^{12}$ electron từ miếng vải. Tính điện tích của thanh nhựa sau khi cọ xát, và cho biết thanh nhựa sẽ hút hay đẩy một quả cầu nhỏ đang mang điện tích dương đặt gần đó.
Sau khi cọ xát, một thanh nhựa nhận thêm $5\times10^{12}$ electron từ miếng vải. Tính điện tích của thanh nhựa sau khi cọ xát, và cho biết thanh nhựa sẽ hút hay đẩy một quả cầu nhỏ đang mang điện tích dương đặt gần đó.
2
Thanh nhựa nhận thêm electron nghĩa là số electron nhiều hơn số proton trên thanh nhựa, nên thanh nhựa nhiễm điện âm.
3
Áp dụng $q = ne$ với $n = 5\times10^{12}$ : $q = 5\times10^{12} \times 1{,}6\times10^{-19} = 8\times10^{-7}$ C $= 0{,}8\ \mu$ C. (1)
Áp dụng $q = ne$ với $n = 5\times10^{12}$: $q = 5\times10^{12} \times 1{,}6\times10^{-19} = 8\times10^{-7}$ C $= 0{,}8\ \mu$C. (1)
4
Theo (1), thanh nhựa mang điện âm; quả cầu mang điện dương. Hai điện tích khác dấu nên chúng hút nhau.
5
Số electron $5\times10^{12}$ là một số nguyên dương hợp lí cho một lần cọ xát thông thường, không quá lớn so với tổng số electron sẵn có trong vật liệu; dấu điện tích âm cũng phù hợp với việc vật nhận thêm electron — kết quả nhất quán.
Số electron $5\times10^{12}$ là một số nguyên dương hợp lí cho một lần cọ xát thông thường, không quá lớn so với tổng số electron sẵn có trong vật liệu; dấu điện tích âm cũng phù hợp với việc vật *nhận thêm* electron — kết quả nhất quán.
6
Vậy thanh nhựa mang điện tích $-0{,}8\ \mu$ C và sẽ hút quả cầu mang điện dương đặt gần đó.
Vậy thanh nhựa mang điện tích $-0{,}8\ \mu$C và sẽ hút quả cầu mang điện dương đặt gần đó.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh cho rằng vật nhiễm điện dương là vật "được thêm điện tích dương", nhưng thực chất proton không di chuyển giữa các vật trong hiện tượng cọ xát thông thường — vật nhiễm điện dương chỉ đơn giản là vật đã mất bớt electron. Một nhầm lẫn khác: nghĩ rằng số electron trao đổi có thể là một số bất kì; thực ra điện tích luôn là bội nguyên của $e$ , nên nếu tính ra $n$ không phải số nguyên, chắc chắn đã tính sai ở một bước nào đó.

Nhiều học sinh cho rằng vật nhiễm điện dương là vật "được thêm điện tích dương", nhưng thực chất proton không di chuyển giữa các vật trong hiện tượng cọ xát thông thường — vật nhiễm điện dương chỉ đơn giản là vật đã *mất bớt electron*. Một nhầm lẫn khác: nghĩ rằng số electron trao đổi có thể là một số bất kì; thực ra điện tích luôn là bội nguyên của $e$, nên nếu tính ra $n$ không phải số nguyên, chắc chắn đã tính sai ở một bước nào đó.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Có đúng hai loại điện tích: dương và âm. Cùng dấu đẩy nhau, khác dấu hút nhau. Điện tích luôn là bội nguyên của điện tích nguyên tố $e=1{,}6\times10^{-19}$ C, và nhiễm điện chỉ là sự dịch chuyển electron — điện tích không tự sinh ra hay mất đi.

Bài tiếp theo lượng hoá quy tắc "cùng dấu đẩy, khác dấu hút" bằng một công thức cụ thể — định luật Coulomb — để tính được chính xác độ lớn lực hút hoặc đẩy giữa hai điện tích điểm khi biết độ lớn của chúng và khoảng cách giữa hai điện tích.