Điện tích (Electric charge)

Đơn vị:

Đơn vị SI của điện tích là Coulomb (ký hiệu là C), được đặt theo tên của nhà vật lý người Pháp Charles-Augustin de Coulomb. Một Coulomb được định nghĩa là lượng điện tích vận chuyển qua một tiết diện của dây dẫn trong một giây khi có dòng điện một ampe chạy qua. Một cách định nghĩa khác, chính xác hơn, dựa trên điện tích nguyên tố e. Theo đó, 1 C xấp xỉ bằng $6.242 \times 10^{18}$ lần điện tích nguyên tố e. Công thức tính lực tĩnh điện giữa hai điện tích điểm $q_1$ và $q_2$ cách nhau một khoảng $r$ trong chân không là:

$F = k \frac{|q_1q_2|}{r^2}$

trong đó $k$ là hằng số Coulomb ($k \approx 8.988 \times 10^9 N m^2/C^2$).

Điện tích cơ bản

Điện tích tồn tại dưới dạng các bội số nguyên của một giá trị nhỏ nhất, gọi là điện tích cơ bản (e). Giá trị này xấp xỉ:

$e = 1.602 \times 10^{-19} C$

Proton mang điện tích dương +e, còn electron mang điện tích âm -e. Neutron không mang điện tích. Mọi điện tích quan sát được trong tự nhiên đều là bội số nguyên của điện tích nguyên tố e. Đây là nguyên lý cơ bản được gọi là lượng tử hóa điện tích.

Định luật bảo toàn điện tích

Định luật bảo toàn điện tích phát biểu rằng điện tích không tự sinh ra hoặc mất đi mà chỉ chuyển từ vật này sang vật khác. Tổng điện tích của một hệ cô lập luôn không đổi. Điều này có nghĩa là trong một hệ kín, tổng đại số của các điện tích luôn là một hằng số.

Các cách vật thể tích điện

Có ba cách chính để vật thể tích điện:

• Cọ xát: Khi hai vật liệu khác nhau được cọ xát với nhau, electron có thể chuyển từ vật này sang vật khác, khiến một vật tích điện dương và vật kia tích điện âm. Vật nào mất electron sẽ tích điện dương và vật nào nhận electron sẽ tích điện âm. Ví dụ: cọ xát thanh thủy tinh với lụa khiến thanh thủy tinh tích điện dương (vì mất electron cho lụa).
• Tiếp xúc: Khi một vật tích điện tiếp xúc với một vật không tích điện, điện tích có thể chuyển từ vật tích điện sang vật không tích điện, khiến cả hai vật đều mang cùng loại điện tích. Quá trình này diễn ra cho đến khi điện thế của hai vật bằng nhau.
• Hưởng ứng: Khi một vật tích điện được đặt gần một vật dẫn điện, các điện tích trong vật dẫn điện sẽ bị phân bố lại. Mặt gần vật tích điện sẽ mang điện tích trái dấu, còn mặt xa vật tích điện sẽ mang điện tích cùng dấu. Hiện tượng này xảy ra do sự dịch chuyển của các điện tích tự do (thường là electron) bên trong vật dẫn.

Định luật Coulomb

Định luật Coulomb mô tả lực tương tác giữa hai điện tích điểm. Lực này tỉ lệ thuận với tích độ lớn của hai điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.

$F = k \frac{|q_1q_2|}{r^2}$

Trong đó:

• $F$ là lực tương tác giữa hai điện tích (N)
• $k$ là hằng số Coulomb ($k \approx 8.988 \times 10^9 Nm^2/C^2$)
• $q_1$ và $q_2$ là độ lớn của hai điện tích (C)
• $r$ là khoảng cách giữa hai điện tích (m)

Lực này là lực hút nếu hai điện tích trái dấu và lực đẩy nếu hai điện tích cùng dấu. Định luật Coulomb chỉ áp dụng chính xác cho điện tích điểm, tức là các vật tích điện có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng.

Ứng dụng của điện tích

Điện tích đóng vai trò quan trọng trong rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống, bao gồm:

• Dòng điện: Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích, thường là electron trong kim loại.
• Điện tử: Hầu hết các thiết bị điện tử đều hoạt động dựa trên sự điều khiển dòng điện bằng các linh kiện bán dẫn.
• Y học: Điện tích được sử dụng trong các thiết bị y tế như máy tạo nhịp tim và máy điện não đồ.
• Công nghiệp: Điện tích được sử dụng trong các quy trình công nghiệp như sơn tĩnh điện và lọc bụi.

Điện trường (Electric Field)

Một điện tích tạo ra xung quanh nó một điện trường. Điện trường là một trường vector, có nghĩa là tại mỗi điểm trong không gian, nó có cả độ lớn và hướng. Độ lớn của điện trường tại một điểm được định nghĩa là lực tác dụng lên một điện tích thử dương đơn vị đặt tại điểm đó.

$E = \frac{F}{q_0}$

Trong đó:

• $E$ là cường độ điện trường (N/C)
• $F$ là lực tác dụng lên điện tích thử $q_0$ (N)
• $q_0$ là điện tích thử (C), thường được coi là rất nhỏ để không làm ảnh hưởng đến điện trường đang xét.

Đối với một điện tích điểm q, cường độ điện trường tại khoảng cách r được tính bởi:

$E = k \frac{|q|}{r^2}$

Thế điện (Electric Potential)

Thế điện tại một điểm trong điện trường là công cần thiết để di chuyển một điện tích thử dương đơn vị từ vô cùng đến điểm đó. Đơn vị của thế điện là Volt (V).

$V = \frac{W}{q_0}$

Trong đó:

• $V$ là thế điện (V)
• $W$ là công thực hiện (J)
• $q_0$ là điện tích thử (C)

Hiệu điện thế giữa hai điểm A và B là công cần thiết để di chuyển một điện tích thử dương đơn vị từ A đến B.

$V_{AB} = V_B – VA = \frac{W{AB}}{q_0}$

Năng lượng điện trường

Năng lượng được tích trữ trong điện trường. Đối với một tụ điện có điện dung C và hiệu điện thế V, năng lượng điện trường được tính bởi:

$U = \frac{1}{2}CV^2$

Dòng điện (Electric Current)

Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích. Cường độ dòng điện được định nghĩa là lượng điện tích di chuyển qua một tiết diện trong một đơn vị thời gian.

$I = \frac{dq}{dt}$

Trong đó:

• $I$ là cường độ dòng điện (A)
• $dq$ là lượng điện tích di chuyển qua tiết diện (C)
• $dt$ là khoảng thời gian (s)

Điện trở (Electrical Resistance)

Điện trở là khả năng cản trở dòng điện của một vật liệu. Đơn vị của điện trở là Ohm (Ω). Định luật Ohm mô tả mối quan hệ giữa hiệu điện thế, dòng điện và điện trở:

$V = IR$

• University Physics with Modern Physics, Young and Freedman
• Physics for Scientists and Engineers, Serway and Jewett
• Fundamentals of Physics, Halliday, Resnick, and Walker
• Sách giáo khoa Vật lý 11, Bộ Giáo dục và Đào tạo (Việt Nam)

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao các vật tích điện cùng dấu lại đẩy nhau, còn các vật tích điện trái dấu lại hút nhau?

Trả lời: Đây là một tính chất cơ bản của tương tác điện từ. Hiện tượng này được giải thích bằng lý thuyết trường điện từ. Các điện tích tạo ra xung quanh chúng một điện trường. Điện trường của một điện tích dương hướng ra xa điện tích, còn điện trường của một điện tích âm hướng vào điện tích. Khi hai điện tích cùng dấu đến gần nhau, điện trường của chúng chồng chất lên nhau, tạo ra một lực đẩy. Ngược lại, khi hai điện tích trái dấu đến gần nhau, điện trường của chúng triệt tiêu nhau một phần, tạo ra một lực hút.

Ngoài cọ xát, tiếp xúc và hưởng ứng, còn cách nào khác để tích điện cho vật không?

Trả lời: Có, còn một số cách khác để tích điện cho vật, ví dụ như:

• Điện áp: Áp dụng một hiệu điện thế lớn giữa hai vật có thể khiến điện tích chuyển từ vật này sang vật khác. Đây là nguyên lý hoạt động của máy phát Van de Graaff.
• Hiệu ứng quang điện: Chiếu ánh sáng có tần số đủ lớn vào một kim loại có thể làm bật electron ra khỏi bề mặt kim loại, khiến kim loại tích điện dương.
• Phóng xạ: Một số chất phóng xạ phát ra các hạt mang điện, có thể làm ion hóa các vật chất xung quanh.

Làm thế nào để tính điện dung của một tụ điện phẳng?

Trả lời: Điện dung của một tụ điện phẳng được tính theo công thức:

$C = \frac{\epsilon A}{d}$

Trong đó:

• $C$ là điện dung (F)
• $\epsilon$ là hằng số điện môi của môi trường giữa hai bản tụ
• $A$ là diện tích của mỗi bản tụ ($m^2$)
• $d$ là khoảng cách giữa hai bản tụ (m)

Sự khác nhau giữa dòng điện một chiều (DC) và dòng điện xoay chiều (AC) là gì?

Trả lời: Dòng điện một chiều (DC) có chiều không đổi theo thời gian, ví dụ như dòng điện từ pin. Dòng điện xoay chiều (AC) có chiều thay đổi theo thời gian, thường theo dạng hình sin. Dòng điện gia dụng mà chúng ta sử dụng hàng ngày là dòng điện xoay chiều.

Tại sao điện trở của vật liệu lại phụ thuộc vào nhiệt độ?

Trả lời: Điện trở của hầu hết các vật liệu tăng khi nhiệt độ tăng. Điều này là do khi nhiệt độ tăng, các nguyên tử trong vật liệu dao động mạnh hơn, làm cản trở sự chuyển động của các electron, dẫn đến điện trở tăng. Tuy nhiên, một số vật liệu, gọi là chất siêu dẫn, lại có điện trở bằng không ở nhiệt độ rất thấp.