Công Thức Tính Lực điện là một trong những kiến thức cơ bản và quan trọng của chương trình Vật lý lớp 11. Nó giúp chúng ta hiểu rõ và tính toán được lực tương tác giữa các điện tích. Bài viết này sẽ trình bày chi tiết về công thức này, bao gồm định nghĩa, công thức, kiến thức mở rộng và các bài tập minh họa.
1. Định Nghĩa Lực Tương Tác Tĩnh Điện
Lực tĩnh điện là lực tương tác giữa các điện tích đứng yên. Đặc điểm của lực này như sau:
- Điểm đặt: Lực tác dụng lên điện tích đang xét.
- Phương: Nằm trên đường thẳng nối hai điện tích điểm.
- Chiều:
- Nếu hai điện tích cùng dấu (cùng dương hoặc cùng âm), chúng sẽ đẩy nhau.
- Nếu hai điện tích trái dấu (một dương, một âm), chúng sẽ hút nhau.
2. Công Thức Tính Lực Điện (Định Luật Coulomb)
Công thức tính lực tĩnh điện, hay còn gọi là định luật Coulomb, được biểu diễn như sau:
Trong đó:
F: Độ lớn của lực tĩnh điện (đơn vị: N – Newton).k: Hằng số Coulomb, có giá trị xấp xỉ là 9 x 10^9 N.m²/C².q1vàq2: Độ lớn của hai điện tích (đơn vị: C – Coulomb). Lưu ý sử dụng giá trị tuyệt đối của điện tích.r: Khoảng cách giữa hai điện tích (đơn vị: m – mét).ε: Hằng số điện môi của môi trường. Hằng số này cho biết môi trường làm giảm lực điện giữa các điện tích đi bao nhiêu lần so với khi chúng đặt trong chân không.
Lưu ý quan trọng:
- Trong chân không, ε = 1. Trong không khí, ε ≈ 1 (có thể coi gần đúng bằng 1).
- Khi các điện tích nằm trong một môi trường khác (ví dụ: dầu, nước), hằng số điện môi ε sẽ khác 1.
- Đổi đơn vị điện tích:
- 1 pC (pico Coulomb) = 10⁻¹² C
- 1 nC (nano Coulomb) = 10⁻⁹ C
- 1 μC (micro Coulomb) = 10⁻⁶ C
- 1 mC (mili Coulomb) = 10⁻³ C
3. Mở Rộng Về Lực Điện Tổng Hợp
Khi có nhiều điện tích cùng tác dụng lên một điện tích khác, lực tổng hợp tác dụng lên điện tích đó bằng tổng vectơ của các lực thành phần.
- Trường hợp lực cùng phương: Tính tổng đại số các lực. Cần chú ý đến dấu của lực, lực hút mang dấu âm, lực đẩy mang dấu dương (hoặc ngược lại, tùy quy ước).
- Trường hợp lực vuông góc: Sử dụng định lý Pythagoras để tính độ lớn của lực tổng hợp: F = √(F₁² + F₂²).
- Trường hợp tổng quát: Phân tích các lực thành các thành phần trên các trục tọa độ, tính tổng các thành phần trên mỗi trục, sau đó tổng hợp lại.
4. Bài Tập Vận Dụng Công Thức Tính Lực Điện
Để hiểu rõ hơn về công thức tính lực điện, chúng ta cùng xét một vài ví dụ minh họa:
Bài tập 1: Hai điện tích điểm q₁ = 4 x 10⁻⁸ C và q₂ = -4 x 10⁻⁸ C đặt tại hai điểm A và B trong không khí, cách nhau một khoảng 4 cm. Tính lực tĩnh điện giữa hai điện tích này.
Hướng dẫn giải:
Áp dụng công thức Coulomb:
F = k |q₁ q₂| / r² = (9 x 10⁹ N.m²/C²) |(4 x 10⁻⁸ C) (-4 x 10⁻⁸ C)| / (0.04 m)² = 9 x 10⁻³ N
Vì hai điện tích trái dấu, lực này là lực hút.
Bài tập 2: Hai điện tích điểm có độ lớn bằng nhau được đặt trong không khí cách nhau 10 cm thì lực tương tác giữa chúng là 9 x 10⁻³ N. Tìm độ lớn của mỗi điện tích.
Hướng dẫn giải:
Gọi độ lớn của mỗi điện tích là q. Ta có:
F = k q² / r² => q² = (F r²) / k = (9 x 10⁻³ N * (0.1 m)²) / (9 x 10⁹ N.m²/C²) = 10⁻¹⁴ C²
=> q = 10⁻⁷ C
Bài tập 3: Hai điện tích điểm q₁ và q₂ đặt cách nhau một khoảng r trong chân không thì lực tương tác giữa chúng là F. Nếu khoảng cách giữa chúng tăng gấp đôi và hằng số điện môi của môi trường là 2, thì lực tương tác giữa chúng là bao nhiêu?
Hướng dẫn giải:
Lực ban đầu: F = k |q₁ q₂| / r²
Lực sau khi thay đổi: F’ = k |q₁ q₂| / (ε (2r)²) = (k |q₁ q₂|) / (2 4r²) = F / 8
Vậy lực tương tác giảm đi 8 lần.
Nắm vững công thức tính lực điện và các dạng bài tập liên quan sẽ giúp bạn tự tin hơn trong các bài kiểm tra và kỳ thi. Chúc các bạn học tốt!
