Công của lực điện trường là một khái niệm quan trọng trong vật lý, đặc biệt khi nghiên cứu về điện tích và điện trường. Bài viết này sẽ đi sâu vào công của lực điện trường khi dịch chuyển một điện tích trên quãng đường 1m, đồng thời cung cấp các ví dụ và bài tập minh họa để giúp bạn hiểu rõ hơn về chủ đề này.
Công Thức Tính Công Của Lực Điện Trường
Công của lực điện trường khi dịch chuyển một điện tích q từ điểm A đến điểm B trong điện trường được tính theo công thức:
A = qEdcos(α)
Trong đó:
- A là công của lực điện trường (Joule – J)
- q là độ lớn của điện tích (Coulomb – C)
- E là cường độ điện trường (V/m)
- d là độ dài quãng đường dịch chuyển (mét – m)
- α là góc giữa vectơ lực điện trường và vectơ độ dịch chuyển.
Để tính công của lực điện trường, ta cần xác định rõ các yếu tố: điện tích, cường độ điện trường, quãng đường dịch chuyển và góc giữa vectơ lực và vectơ độ dịch chuyển.
Trường Hợp Đặc Biệt: Dịch Chuyển Vuông Góc Với Đường Sức Điện
Nếu điện tích di chuyển vuông góc với các đường sức điện (α = 90°), thì cos(90°) = 0. Do đó, công của lực điện trường trong trường hợp này bằng 0. Điều này có nghĩa là, khi điện tích di chuyển vuông góc với đường sức điện, lực điện trường không thực hiện công.
Ví dụ, xét một điện tích 10 μC (10 x 10⁻⁶ C) di chuyển quãng đường 1m vuông góc với các đường sức điện trong một điện trường đều có cường độ 10⁶ V/m. Công của lực điện trường trong trường hợp này là:
A = qEdcos(90°) = (10 x 10⁻⁶ C) x (10⁶ V/m) x (1 m) x 0 = 0 J
Điện tích q di chuyển vuông góc với đường sức điện E, lực điện trường không sinh công.
Bài Tập Vận Dụng
Bài tập 1
Một điện tích 1 μC di chuyển dọc theo chiều một đường sức trong một điện trường đều có cường độ 1000 V/m trên quãng đường dài 1 m. Tính công của lực điện trường.
Giải:
Trong trường hợp này, α = 0° (vì điện tích di chuyển dọc theo chiều đường sức điện). Do đó, cos(0°) = 1.
A = qEdcos(0°) = (1 x 10⁻⁶ C) x (1000 V/m) x (1 m) x 1 = 0.001 J
Bài tập 2
Một điện tích -2 μC di chuyển ngược chiều một đường sức trong một điện trường đều 1000 V/m trên quãng đường dài 1 m. Tính công của lực điện trường.
Giải:
Trong trường hợp này, α = 180° (vì điện tích di chuyển ngược chiều đường sức điện). Do đó, cos(180°) = -1.
A = qEdcos(180°) = (-2 x 10⁻⁶ C) x (1000 V/m) x (1 m) x (-1) = 0.002 J
Bài tập 3
Công của lực điện trường dịch chuyển một điện tích 10 mC song song với các đường sức trong một điện trường đều với quãng đường 10 cm là 1 J. Tính độ lớn cường độ điện trường.
Giải:
Đổi 10 cm = 0.1 m. Vì điện tích di chuyển song song với đường sức điện, nên α = 0° và cos(0°) = 1.
Ta có: A = qEdcos(α) => E = A / (q.d.cos(α)) = 1 J / (10 x 10⁻³ C x 0.1 m x 1) = 1000 V/m
Điện tích di chuyển song song đường sức điện, công của lực điện trường khác 0.
Ứng Dụng Thực Tế
Hiểu rõ về công của lực điện trường có nhiều ứng dụng trong thực tế, ví dụ như:
- Máy gia tốc hạt: Lực điện trường được sử dụng để gia tốc các hạt mang điện đến vận tốc cao, phục vụ cho các nghiên cứu khoa học.
- Ống phóng điện tử (CRT): Lực điện trường điều khiển chùm electron để tạo ra hình ảnh trên màn hình.
- Công nghệ in phun: Lực điện trường điều khiển các giọt mực để tạo ra hình ảnh trên giấy.
Kết Luận
Công của lực điện trường là một khái niệm cơ bản nhưng quan trọng trong vật lý. Việc hiểu rõ công thức tính công, các trường hợp đặc biệt và ứng dụng thực tế sẽ giúp bạn nắm vững kiến thức về điện tích và điện trường. Hy vọng bài viết này đã cung cấp cho bạn những thông tin hữu ích và giúp bạn giải quyết các bài tập liên quan một cách dễ dàng hơn.