Điện tĩnh — Sự nhiễm điện, định luật Coulomb và ví dụ

Điện tĩnh là điện tích tích tụ trên một vật thay vì chuyển động thành dòng điện ổn định. Nó giải thích vì sao bóng bay có thể dính vào tường, vì sao quần áo phát ra tiếng lách tách trong máy sấy, và vì sao bạn có thể cảm thấy tia điện nhỏ sau khi đi trên thảm.

Trong hầu hết các chất rắn thường gặp, mô hình hữu ích là electron di chuyển từ vật liệu này sang vật liệu khác. Nếu một vật nhận thêm electron, nó trở nên tích điện âm. Nếu nó mất electron, nó trở nên tích điện dương.

Điện Tĩnh Hình Thành Như Thế Nào

Tiếp Xúc Và Tách Ra

Nhiều ví dụ về điện tĩnh bắt đầu khi hai vật liệu chạm vào nhau rồi tách ra. Trong quá trình đó, một số electron có thể chuyển từ bề mặt này sang bề mặt kia. Cọ xát có thể làm hiệu ứng mạnh hơn vì nó tăng mức độ tiếp xúc, nhưng không tạo ra điện tích từ hư không.

Dẫn Điện

Nếu một vật đã tích điện chạm vào vật khác, điện tích có thể truyền qua tiếp xúc trực tiếp. Sau đó, cả hai vật có thể cùng chia sẻ điện tích, dù kết quả còn phụ thuộc vào vật liệu và vào việc một trong hai vật có được nối đất hay không.

Cảm Ứng

Một vật tích điện ở gần cũng có thể làm các điện tích bên trong vật khác sắp xếp lại mà không cần chạm vào. Tự nó, cảm ứng thường chỉ gây ra sự phân tách điện tích chứ không tạo ra điện tích tổng cộng vĩnh viễn. Nếu có thêm nối đất trong điều kiện thích hợp, cảm ứng có thể khiến vật mang điện tích tổng cộng.

Định Luật Coulomb Cho Điện Tích Tĩnh

Điện tĩnh là một phần của tĩnh điện học, ngành nghiên cứu các điện tích đứng yên. Định luật lực chính là định luật Coulomb.

Với hai điện tích điểm trong chân không,

$$F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$$

trong đó $F$ là độ lớn của lực, $q_1$ và $q_2$ là các điện tích, $r$ là khoảng cách giữa chúng, và $k \approx 8.99 \times 10^9\ \mathrm{N \cdot m^2/C^2}$.

Công thức này cho biết độ lớn của lực. Dấu của các điện tích cho biết hướng:

• điện tích cùng dấu thì đẩy nhau
• điện tích trái dấu thì hút nhau

Định luật Coulomb áp dụng trực tiếp khi có thể coi các điện tích là điện tích điểm. Với các vật thật như bóng bay hoặc bức tường, điện tích phân bố trên bề mặt nên lực chính xác sẽ phức tạp hơn. Dù vậy, định luật vẫn cho ta quy luật chính: điện tích càng lớn thì lực càng mạnh, và nếu khoảng cách tăng gấp đôi thì lực giảm còn một phần tư.

Ví Dụ Giải Sẵn: Lực Giữa Hai Điện Tích

Giả sử hai quả cầu nhỏ tích điện có điện tích

• $q_1 = 40\ \mathrm{nC} = 40 \times 10^{-9}\ \mathrm{C}$
• $q_2 = -20\ \mathrm{nC} = -20 \times 10^{-9}\ \mathrm{C}$
• $r = 5.0\ \mathrm{cm} = 0.050\ \mathrm{m}$

Hãy tìm độ lớn của lực và xác định đó là lực hút hay lực đẩy.

Bắt đầu với định luật Coulomb:

$$F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$$

Thay các giá trị vào:

$$F = (8.99 \times 10^9)\frac{|(40 \times 10^{-9})(-20 \times 10^{-9})|}{(0.050)^2}$$

Nhân hai điện tích:

$$|q_1 q_2| = 8.0 \times 10^\{-16\}\ \mathrm\{C^2\}$$

Bình phương khoảng cách:

$$r^2 = 2.5 \times 10^{-3}\ \mathrm{m^2}$$

Bây giờ tính lực:

$$F = (8.99 \times 10^9)\frac{8.0 \times 10^{-16}}{2.5 \times 10^{-3}} \approx 2.9 \times 10^{-3}\ \mathrm{N}$$

Vậy độ lớn của lực xấp xỉ $2.9\ \mathrm{mN}$. Vì hai điện tích trái dấu nên lực là lực hút.

Điểm quan trọng nhất là quy luật nghịch đảo bình phương. Nếu khoảng cách tăng gấp đôi trong khi các điện tích giữ nguyên, lực sẽ giảm còn một phần tư.

Vì Sao Bóng Bay Tích Điện Có Thể Dính Vào Tường

Khi bạn cọ bóng bay vào tóc hoặc vải, điện tích có thể truyền sang bóng bay. Nếu đưa quả bóng bay đã tích điện lại gần tường, các điện tích bên trong tường sẽ dịch chuyển nhẹ. Sự phân cực này có thể tạo ra lực hút tổng cộng ngay cả khi toàn bộ bức tường vẫn trung hòa về điện.

Ví dụ này cho thấy điện tĩnh trong đời sống hằng ngày thường liên quan đến cả sự truyền điện tích lẫn sự sắp xếp lại điện tích, chứ không chỉ là hai điện tích điểm cô lập.

Những Sai Lầm Thường Gặp Về Điện Tĩnh

• Nói rằng cọ xát tạo ra điện tích từ hư không. Thực ra nó thường chỉ giúp điện tích truyền giữa các vật liệu.
• Quên rằng electron thường là hạt mang điện có thể di chuyển trong các chất rắn thông thường.
• Dùng định luật Coulomb như thể mọi vật thật đều là điện tích điểm.
• Bỏ qua đơn vị khi đổi nanocoulomb hoặc centimét sang đơn vị SI.
• Cho rằng cảm ứng luôn để lại điện tích tổng cộng vĩnh viễn. Điều đó thường còn cần cả nối đất.

Điện Tĩnh Được Ứng Dụng Ở Đâu

Điện tĩnh có vai trò trong máy photocopy, máy in laser, thiết bị lọc bụi tĩnh điện, sơn tĩnh điện và một số quá trình phân tách trong công nghiệp. Nó cũng rất quan trọng khi thao tác với linh kiện điện tử, vì một phóng điện tĩnh điện có thể làm hỏng các bộ phận nhạy cảm ngay cả khi tia lửa quá nhỏ để nhận ra.

Độ ẩm cũng quan trọng. Trong không khí khô, điện tích có xu hướng tồn tại trên bề mặt lâu hơn, nên các hiệu ứng điện tĩnh thường dễ nhận thấy hơn.

Thử Một Bài Tập Tương Tự Về Định Luật Coulomb

Giữ nguyên các điện tích như trong ví dụ đã giải, nhưng đổi khoảng cách từ $0.050\ \mathrm{m}$ thành $0.10\ \mathrm{m}$. Hãy tự tính lực mới trước khi dùng máy tính, rồi kiểm tra xem kết quả theo quy luật nghịch đảo bình phương có phù hợp với trực giác của bạn không.