Định luật Cu-lông: Bí mật về lực tương tác giữa các điện tích

Bước vào thế giới huyền bí của vật lý, chúng ta không thể không nhắc đến một trong những nguyên tắc cơ bản và quan trọng nhất: Định luật Cu-lông. Đây không chỉ là một khía cạnh quan trọng của vật lý, mà còn là nền tảng cho nhiều hiểu biết về vận động và tương tác của các vật thể trong vũ trụ.

Định luật Cu-lông là gì?

Định luật Coulomb, được đặt tên theo nhà vật lý Pháp Charles-Augustin de Coulomb, mô tả lực tương tác giữa hai điện tích điểm. Định luật này là một trong những nguyên lý cơ bản của lý thuyết điện từ, đặc biệt là trong việc nghiên cứu lực hút hoặc đẩy giữa các hạt mang điện.

Khái niệm

Định luật Coulomb phát biểu rằng lực tương tác giữa hai điện tích điểm trong chân không là tỉ lệ thuận với tích độ lớn của hai điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.

Lực này hướng dọc theo đường thẳng nối liền hai điện tích, có nghĩa là nó là một lực trực tiếp. Định luật này cũng giải thích rằng lực hút sẽ xảy ra giữa hai điện tích trái dấu, trong khi lực đẩy xảy ra giữa hai điện tích cùng dấu.

Công thức

Lực Coulomb giữa hai điện tích q1 và q2 được đặt cách nhau một khoảng r trong chân không được tính bằng công thức:

Trong đó:

• F là lực Coulomb (đơn vị là Newton, N)
• k là hằng số Cu-lông (k = 9 * 10^9 N.m^2/C^2)
• q1 và q2 là độ lớn của hai điện tích (đơn vị là Coulomb, C)
• r là khoảng cách giữa hai điện tích (đơn vị là mét, m)
• k là hằng số Coulomb (đôi khi được gọi là hằng số điện môi của chân không), có giá trị khoảng                                        

Đơn vị Cu-lông

Đơn vị Cu-lông (Coulomb), ký hiệu là C, là đơn vị đo điện tích (Q) trong hệ đo lường quốc tế (SI).

Một Cu-lông là điện tích đi qua tiết diện dây dẫn trong một giây khi cường độ dòng điện qua dây dẫn là một ampe.

Cách quy đổi:

• 1 C = 1 A.s
• 1 C = 10^9 nC (nanocoulomb)
• 1 C = 10^6 µC (microcoulomb)
• 1 C = 1000 mC (millicoulomb)
• 1 C = 0.001 kC (kilocoulomb)
• 1 C = 0.000001 MC (megacoulomb)
• 1 C = 0.1 abC (abcoulomb)
• 1 C = 0.28 mAh (miliampe-giờ)
• 1 C = 2.78×10^-4 Ah (ampe-giờ)

Ứng dụng của định luật Cu-ông

Định luật Coulomb, với khả năng mô tả lực hút và đẩy giữa các điện tích điểm, có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của khoa học và kỹ thuật. Dưới đây là chi tiết một số ứng dụng quan trọng của định luật này:

Thiết kế và phân tích các mạch điện tử

Định luật Coulomb là cơ sở để thiết kế và phân tích hoạt động của các thiết bị bán dẫn như transistor và diode, cũng như các mạch tích hợp. Nó giúp các kỹ sư hiểu và tính toán lực tương tác giữa các hạt mang điện trong các mạch này, qua đó ảnh hưởng đến cách thức dòng điện chạy qua các linh kiện.

Viễn thông

Trong viễn thông, định luật Coulomb giúp giải thích cách thức tín hiệu điện tử tương tác với các thành phần của anten, cải thiện thiết kế và hiệu quả của việc truyền và nhận sóng.

Phát triển các phương pháp chẩn đoán y khoa

Trong lĩnh vực y học, định luật Coulomb có thể giúp tối ưu hóa thiết kế và hoạt động của các thiết bị chẩn đoán, chẳng hạn như máy chụp cộng hưởng từ (MRI) và máy chụp cắt lớp vi tính (CT). Các thiết bị này dựa vào lực từ và điện để tạo ra hình ảnh chi tiết về cơ thể.

Năng lượng

Trong lĩnh vực năng lượng, định luật Coulomb hỗ trợ việc thiết kế và phân tích các hệ thống truyền tải điện. Nó giúp tính toán sự mất mát năng lượng do tương tác điện từ giữa các dây dẫn và giữa dây dẫn với môi trường xung quanh.

Bài tập ứng dụng về định luật Cu-lông

Câu hỏi

Câu hỏi 1: Hai quả cầu kim loại nhỏ, giống nhau, mang điện tích q1 và q2 đặt cách nhau r trong chân không. Lực tương tác giữa chúng có biểu thức là:

A. F = k |q1q2| / r

B. F = k |q1q2| / r^2

C. F = k |q1| / r

D. F = k |q2| / r^2

Câu hỏi 2: Hai điện tích điểm q1 = 2 μC và q2 = -5 μC đặt cách nhau 10 cm trong chân không. Lực tương tác giữa hai điện tích là:

A. F = 9 N

B. F = 90 N

C. F = 900 N

D. F = 9000 N

Câu hỏi 3: Hai quả cầu kim loại nhỏ, giống nhau, mang điện tích q1 và q2, đặt cách nhau r trong chân không. Sau khi cho chúng tiếp xúc điện với nhau, rồi đặt lại vị trí ban đầu thì lực tương tác giữa chúng là:

A. Tăng 2 lần

B. Giảm 2 lần

C. Tăng 4 lần

D. Giảm 4 lần

Câu hỏi 4: Hai quả cầu kim loại nhỏ, giống nhau, mang điện tích q1 và q2, đặt cách nhau r trong chân không. Sau khi cho chúng tiếp xúc điện với nhau, rồi đặt lại vị trí ban đầu thì lực tương tác giữa chúng là F. Biết q1 = 4q2. Giá trị của F so với lực tương tác ban đầu là:

A. F = 4F

B. F = 1/4F

C. F = 1/2F

D. F = 2F

Câu hỏi 5: Hai quả cầu kim loại nhỏ, giống nhau, mang điện tích q1 và q2, đặt cách nhau r trong chân không. Lực tương tác giữa chúng là F. Khi tăng khoảng cách giữa hai quả cầu lên 2 lần thì lực tương tác giữa chúng là:

A. F/2

B. 2F

C. F/4

D. 4F

Câu hỏi 6: Hai điện tích điểm q1 = 2 μC và q2 = -5 μC đặt cách nhau r trong chân không. Lực tương tác giữa hai điện tích là 9 N. Giá trị của r là:

A. r = 5 cm

B. r = 10 cm

C. r = 15 cm

D. r = 20 cm

Câu hỏi 7: Khi hai điện tích điểm được giữ cố định trong không gian chứa không khí, chúng tạo ra một lực hút lên nhau là 21 N. Khi bình được lấp đầy bằng dầu hỏa, với điện môi là 2,1, lực tương tác giữa chúng sẽ là:

A. Lực hút giữa chúng là 10 N.

B. Lực đẩy giữa chúng là 10 N.

C. Lực hút giữa chúng là 44,1 N.

D. Lực đẩy giữa chúng là 44,1 N.

Câu hỏi 8: Khi hai điện tích điểm được đặt trong không khí trong một bình cách điện, lực Coulomb tác động lên chúng là 12 N. Khi chất lỏng cách điện được đổ đầy vào bình, lực giữa chúng giảm xuống còn 4 N. Điện môi của chất lỏng này có giá trị là:

A. 3.

B. 1/3.

C. 9.

D. 1/9.

Câu hỏi 9: Khi hai điện tích điểm được đặt cách nhau 100 cm trong parafin với điện môi là 2, chúng gây ra lực tương tác là 8 N. Nếu chúng được đặt cách nhau 50cm trong không gian không có điện môi, thì lực tương tác giữa chúng sẽ có giá trị là:

A. 1 N.

B. 2 N.

C. 8 N.

D. 48 N.

Câu hỏi 10: Trong các vật liệu dưới đây, vật nào không chứa điện tích di động?

A. Thanh niken.

B. Lượng thủy ngân.

C. Thanh chì.

D. Thanh gỗ khô.

Đáp án

Định luật Cu-lông không chỉ đơn giản là một lý thuyết, mà còn là bước đệm quan trọng dẫn đến sự hiểu biết sâu sắc về vận động và tương tác của vật thể xung quanh chúng ta. Hãy tiếp tục khám phá thêm về những nguyên tắc cơ bản và những khám phá mới trong thế giới vật lý trên trang web vatly.edu.vn của chúng tôi!