ĐIỆN TÍCH ĐIỂM: TÍNH CHẤT VÀ ĐỊNH LUẬT COULOMB - VẬT LÝ - 2026

Điện tích điểm , trong ngữ cảnh của điện từ, là điện tích có kích thước nhỏ đến mức nó có thể được coi là điểm. Ví dụ, các hạt cơ bản có điện tích, proton và electron, rất nhỏ nên kích thước của chúng có thể bị bỏ qua trong nhiều ứng dụng. Xem xét rằng một điện tích là hướng điểm làm cho công việc tính toán các tương tác của nó và hiểu các tính chất điện của vật chất dễ dàng hơn nhiều.

Các hạt cơ bản không phải là hạt duy nhất có thể là điện tích điểm. Chúng cũng có thể là những phân tử bị ion hóa, những quả cầu tích điện mà Charles A. Coulomb (1736-1806) đã sử dụng trong các thí nghiệm của mình và thậm chí là chính Trái đất. Tất cả đều có thể coi là điện tích điểm, miễn là chúng ta nhìn thấy chúng ở khoảng cách lớn hơn nhiều so với kích thước của vật thể.

Hình 1. Các điện tích điểm cùng dấu thì đẩy nhau, còn các điện tích trái dấu thì hút nhau. Nguồn: Wikimedia Commons.

Vì tất cả các vật thể đều được cấu tạo từ các hạt cơ bản, điện tích là một thuộc tính cố hữu của vật chất, giống như khối lượng. Bạn không thể có một electron mà không có khối lượng, và cũng không thể không có điện tích.

Tính chất

Theo như chúng ta biết ngày nay, có hai loại điện tích: dương và âm. Các electron mang điện tích âm, trong khi proton mang điện tích dương.

Các điện tích cùng dấu đẩy lùi, trong khi các điện tích ngược dấu hút nhau. Điều này có hiệu lực đối với bất kỳ loại điện tích nào, đúng giờ hoặc được phân phối trên một đối tượng có kích thước có thể đo được.

Hơn nữa, các thí nghiệm cẩn thận phát hiện ra rằng điện tích trên proton và electron có cùng độ lớn.

Một điểm rất quan trọng khác cần xem xét là điện tích được lượng tử hóa. Cho đến nay, không có điện tích cô lập nào có độ lớn nhỏ hơn điện tích của electron. Chúng đều là bội số của điều này.

Cuối cùng, điện tích được bảo toàn. Nói cách khác, điện tích không được tạo ra cũng không bị phá hủy, nhưng nó có thể truyền từ vật này sang vật khác. Bằng cách này, nếu hệ thống bị cô lập thì tổng tải không đổi.

Đơn vị điện tích

Đơn vị điện tích trong Hệ đơn vị quốc tế (SI) là Coulomb, viết tắt bằng chữ C viết hoa, để vinh danh Charles A. Coulomb (1736-1806), người đã khám phá ra định luật mang tên ông và mô tả sự tương tác. giữa hai điện tích điểm. Chúng ta sẽ nói về nó sau.

Điện tích của êlectron nhỏ nhất có thể cô lập được trong tự nhiên có độ lớn là:

Coulomb là một đơn vị khá lớn, vì vậy các đơn vị phụ thường được sử dụng:

Và như chúng ta đã đề cập trước đây, dấu hiệu của e ^- là âm. Điện tích trên proton có cùng độ lớn, nhưng cùng dấu dương.

Các dấu hiệu là một vấn đề quy ước, tức là có hai loại điện và cần phải phân biệt chúng, do đó một người được gán là dấu (-) và dấu kia (+). Benjamin Franklin đã đưa ra chỉ định này, và cũng đưa ra nguyên tắc bảo toàn điện tích.

Đến thời Franklin, người ta vẫn chưa biết cấu trúc bên trong của nguyên tử, nhưng Franklin đã quan sát thấy một thanh thủy tinh cọ xát với lụa trở nên nhiễm điện, gọi loại điện này là dương.

Vật nào bị dòng điện nói trên hút thì mang dấu âm. Sau khi phát hiện ra điện tử, người ta quan sát thấy thanh thủy tinh tích điện đã hút chúng, và đây là cách điện tích âm của điện tử.

Định luật Coulomb về phí điểm

Vào cuối thế kỷ 18, Coulomb, một kỹ sư trong quân đội Pháp, đã dành một thời gian dài để nghiên cứu tính chất của vật liệu, lực tác dụng lên dầm và lực ma sát.

Nhưng ông được nhớ đến nhiều nhất với định luật mang tên ông và định luật mô tả sự tương tác giữa hai điện tích điểm.

Gọi là hai điện tích q ₁ và q ₂ . Coulomb xác định rằng lực giữa chúng, lực hút hoặc lực đẩy, tỷ lệ thuận với tích của cả hai điện tích và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.

Về mặt toán học:

Trong phương trình này, F đại diện cho độ lớn của lực và r là khoảng cách giữa các điện tích. Đẳng thức đòi hỏi một hằng số tỉ lệ, được gọi là hằng số tĩnh điện và được ký hiệu là k _e .

Như vậy:

Hơn nữa Coulomb nhận thấy rằng lực hướng dọc theo đường nối các điện tích. Vì vậy, nếu r là vectơ đơn vị dọc theo đường thẳng nói trên, thì định luật Coulomb với vectơ là:

Áp dụng định luật Coulomb

Coulomb đã sử dụng một thiết bị gọi là cân bằng lực xoắn cho các thí nghiệm của mình. Thông qua đó, có thể thiết lập giá trị của hằng số tĩnh điện trong:

Tiếp theo, chúng ta sẽ thấy một ứng dụng. Ba tải điểm được lấy q _Một , q _B q _C có trong các vị trí thể hiện trong hình 2. Tính lực ròng trên q _B .

Hình 2. Lực tác dụng lên điện tích âm được tính bằng định luật Coulomb. Nguồn: F. Zapata.

Điện tích q _A hút điện tích q _B , vì chúng trái dấu. Điều này cũng có thể nói về q _C . Sơ đồ vật thể cô lập trong hình 2 bên phải, trong đó quan sát thấy rằng cả hai lực đều hướng theo trục tung hoặc trục y và có hướng ngược nhau.

Lực thuần trên điện tích q _B là:

F _R = F _AB + F _CB (Nguyên tắc chồng chất)

Nó chỉ còn để thay thế các giá trị số, chú ý viết tất cả các đơn vị trong Hệ thống quốc tế (SI).

F _AB = 9,0 x 10 ⁹ x 1 x 10 ^-9 x 2 x 10 ^-9 / (2 x 10 ^-2 ) ² N (+ y) = 0,000045 (+ y) N

F _CB = 9,0 x 10 ⁹ x 2 x 10 ^-9 x 2 x 10 ^-9 / (1 x 10 ^-2 ) ² N (- y ) = 0,00036 (- y ) N

F _R = F _AB + F _CB = 0,000045 (+ y) + 0,00036 (- y ) N = 0,000315 (- y) N

Trọng lực và điện

Hai lực này có dạng toán giống nhau. Tất nhiên, chúng khác nhau về giá trị của hằng số tỷ lệ và ở chỗ trọng lực tác dụng với khối lượng, trong khi điện tác dụng với điện tích.

Nhưng điều quan trọng là cả hai đều phụ thuộc vào nghịch đảo của bình phương khoảng cách.

Có một loại khối lượng duy nhất và nó được coi là dương, do đó lực hấp dẫn luôn hấp dẫn, trong khi điện tích có thể dương hoặc âm. Vì lý do này, lực điện có thể là lực hút hoặc lực đẩy, tùy thuộc vào từng trường hợp.

Và chúng ta có chi tiết này bắt nguồn từ điều trên: tất cả các vật thể rơi tự do đều có gia tốc như nhau, miễn là chúng ở gần bề mặt Trái đất.

Nhưng nếu chúng ta phóng một proton và một electron gần một mặt phẳng tích điện, chẳng hạn, electron sẽ có gia tốc lớn hơn nhiều so với proton. Hơn nữa, các gia tốc sẽ có hướng ngược nhau.

Cuối cùng, điện tích được lượng tử hóa, giống như đã nói. Điều đó có nghĩa là chúng ta có thể tìm thấy điện tích gấp 2,3 hoặc 4 lần của electron - hoặc của proton-, nhưng không bao giờ gấp 1,5 lần điện tích này. Mặt khác, khối lượng không phải là bội số của một số khối lượng đơn lẻ.

Trong thế giới của các hạt hạ nguyên tử, lực điện vượt quá lực hấp dẫn về độ lớn. Tuy nhiên, trên quy mô vĩ mô, lực hấp dẫn chiếm ưu thế hơn cả. Ở đâu? Ở cấp độ các hành tinh, hệ mặt trời, thiên hà và hơn thế nữa.

Người giới thiệu

1. Figueroa, D. (2005). Loạt bài: Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật. Tập 5. Chất tĩnh điện. Biên tập bởi Douglas Figueroa (USB).
2. Giancoli, D. 2006. Vật lý: Các nguyên tắc với ứng dụng. Ngày 6. Ed Prentice Hall.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Vật lý: Cái nhìn về thế giới. Phiên bản rút gọn thứ 6. Học tập Cengage.
4. Knight, R. 2017. Vật lý cho các nhà khoa học và kỹ thuật: Phương pháp tiếp cận chiến lược. Lề.
5. Sears, Zemansky. 2016. Vật lý Đại học với Vật lý hiện đại. Ngày 14. Ed. V 2.