Các điện tích tương tác với nhau như thế nào?

Mức độ tương tác không chỉ phụ thuộc vào dấu của điện tích mà còn phụ thuộc vào độ lớn của các điện tích và khoảng cách giữa chúng. Với hai điện tích điểm đứng yên tương đối so với nhau, mối quan hệ này được mô tả bằng định luật Coulomb.

Điện tích là gì?

Điện tích là đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng của vật thể tham gia vào tương tác điện. Trong hệ SI, đơn vị của điện tích là coulomb, ký hiệu là C.

Có hai loại điện tích:

·         Điện tích dương

·         Điện tích âm

Ở cấp độ nguyên tử, proton mang điện tích dương, electron mang điện tích âm. Độ lớn điện tích cơ bản của proton và electron bằng nhau, khoảng 1,602×10−19 C nhưng trái dấu.

Một vật có thể mang điện dương khi bị thiếu electron hoặc mang điện âm khi có thêm electron so với trạng thái trung hòa. Điện tích không tự nhiên xuất hiện hoặc biến mất trong một hệ kín mà được bảo toàn; trong nhiều hiện tượng nhiễm điện thông thường, electron được chuyển từ vật này sang vật khác.

Điều quan trọng khi xét sự tương tác là dấu của điện tích quyết định xu hướng hút hay đẩy, còn độ lớn điện tích và khoảng cách quyết định độ mạnh của lực.

Các điện tích hút hay đẩy nhau?

Hai điện tích tương tác với nhau thông qua lực điện, còn gọi là lực Coulomb. Lực này có thể là lực hút hoặc lực đẩy.

Hai điện tích cùng dấu đẩy nhau

Ví dụ:

·         Điện tích dương đẩy điện tích dương

·         Điện tích âm đẩy điện tích âm

Khi đó, lực tác dụng lên hai điện tích có phương nằm trên đường nối hai điện tích và hướng ra xa nhau.

Hai điện tích trái dấu hút nhau

Ví dụ:

·         Điện tích dương hút điện tích âm

·         Điện tích âm hút điện tích dương

Khi đó, lực tác dụng lên hai điện tích hướng về phía nhau.

Điểm cần phân biệt là lực điện không cần hai vật phải tiếp xúc trực tiếp. Hai điện tích có thể tác dụng lực lên nhau khi chúng cách nhau một khoảng nhất định.

Lực điện phụ thuộc vào độ lớn điện tích và khoảng cách như thế nào?

Với hai điện tích điểm q1​ và q2​ cách nhau khoảng r, độ lớn lực điện được xác định bởi định luật Coulomb:

F=kr2∣q1​q2​∣​

Trong đó:

·         F là độ lớn lực điện, đơn vị N

·         q1​,q2​ là độ lớn của hai điện tích, đơn vị C

·         r là khoảng cách giữa hai điện tích, đơn vị m

·         k là hằng số Coulomb, trong chân không có giá trị xấp xỉ 8,99×109 N·m²/C²

Từ công thức có thể thấy ba mối quan hệ quan trọng.

Điện tích càng lớn, lực điện càng mạnh

Nếu giữ khoảng cách không đổi và tăng độ lớn một trong hai điện tích lên hai lần, lực điện cũng tăng hai lần. Nếu đồng thời tăng cả hai điện tích lên hai lần, lực điện tăng bốn lần.

Khoảng cách càng lớn, lực điện càng yếu

Lực điện tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Nếu khoảng cách tăng hai lần thì lực điện giảm còn một phần tư. Nếu khoảng cách tăng ba lần thì lực giảm còn một phần chín.

Dấu của điện tích quyết định hút hay đẩy

Công thức trên cho độ lớn của lực. Để xác định hướng tương tác, cần xét dấu của hai điện tích: cùng dấu thì đẩy, trái dấu thì hút.

Đây là lý do lực điện giảm khá nhanh khi khoảng cách tăng, trong khi việc tăng độ lớn điện tích có thể làm lực tương tác tăng đáng kể.

Vì sao vật trung hòa vẫn có thể bị hút bởi vật mang điện?

Một hiểu lầm thường gặp là chỉ những vật đã mang điện mới chịu lực hút điện. Thực tế, một vật tổng thể trung hòa vẫn có thể bị hút bởi một vật mang điện.

Nguyên nhân là các điện tích bên trong vật trung hòa có thể phân bố lại, tạo ra sự phân cực điện. Khi một vật mang điện tiến lại gần, sự phân bố điện tích trong vật trung hòa có thể trở nên không đều: vùng gần vật mang điện có xu hướng xuất hiện điện tích trái dấu tương đối nhiều hơn, trong khi điện tích cùng dấu bị dịch chuyển về phía xa hơn.

Khi khoảng cách đến hai vùng điện tích khác nhau, lực hút và lực đẩy không nhất thiết triệt tiêu hoàn toàn. Trong trường hợp thích hợp, lực hút ở phía gần chiếm ưu thế và vật trung hòa bị hút.

Điều này giúp giải thích những hiện tượng tĩnh điện quen thuộc, chẳng hạn một vật đã nhiễm điện có thể hút các vật nhẹ ban đầu chưa mang điện tổng thể.

Khi nào có thể dùng định luật Coulomb để tính lực điện?

Định luật Coulomb đặc biệt thuận tiện khi xét hai điện tích điểm hoặc những vật mang điện có thể được xấp xỉ như điện tích điểm. Khi đó, chỉ cần biết độ lớn hai điện tích và khoảng cách giữa chúng là có thể xác định độ lớn lực điện.

Khi giải bài toán, có thể thực hiện theo trình tự:

1.    Xác định dấu của hai điện tích để biết lực là hút hay đẩy

2.    Xác định độ lớn q1​, q2​ và khoảng cách r

3.    Đổi các đại lượng về đơn vị SI nếu cần

4.    Tính độ lớn lực bằng công thức Coulomb

5.    Xác định chiều của lực trên đường nối hai điện tích

Cần lưu ý rằng lực điện là đại lượng vectơ. Hai điện tích tác dụng lực lên nhau với độ lớn bằng nhau nhưng ngược chiều, phù hợp với định luật III Newton.

Đối với hệ có nhiều điện tích, không thể chỉ áp dụng công thức cho một cặp rồi xem đó là lực tổng. Cần xác định lực do từng điện tích gây ra và xét tổng hợp vectơ của các lực đó.

Những điểm cần nhớ về sự tương tác giữa các điện tích

Có thể tóm tắt bản chất của tương tác điện bằng bốn ý chính:

·         Điện tích có hai loại: dương và âm

·         Điện tích cùng dấu đẩy nhau, điện tích trái dấu hút nhau

·         Lực điện tăng khi độ lớn điện tích tăng

·         Lực điện giảm theo bình phương khoảng cách giữa các điện tích

Vì vậy, khi hỏi các điện tích tương tác với nhau như thế nào, câu trả lời không chỉ là “cùng dấu đẩy, trái dấu hút”. Muốn mô tả đầy đủ hơn, cần xét cả độ lớn của điện tích, khoảng cách giữa chúng và điều kiện áp dụng định luật Coulomb.

Tóm lại, điện tích là thuộc tính vật chất tạo nên tương tác điện. Hai điện tích cùng dấu có xu hướng đẩy nhau, hai điện tích trái dấu có xu hướng hút nhau. Độ mạnh của lực được quyết định bởi độ lớn của hai điện tích và giảm theo bình phương khoảng cách giữa chúng. Định luật Coulomb cung cấp công thức định lượng cho mối quan hệ này trong trường hợp phù hợp.