Bài 11. Định luật Coulomb về tương tác tĩnh điện trang 68, 69, 70, 71, 72 Vật Lí 11 Chân trời sáng tạo

KĐ

Vào những ngày thời tiết lạnh, đặc biệt là vào mùa đông, ta thường hay gặp một số hiện tượng như: bị điện giật khi chạm tay vào tay nắm cửa kim loại (Hình 11.1) hay nghe tiếng lách tách khi thay quần áo. Vậy nguyên nhân của hiện tượng này là gì?

Lời giải chi tiết:

Đây chính là hiện tượng tĩnh điện và chúng không gây ảnh hưởng tới sức khỏe con người. Thông thường, yếu tố tĩnh điện từ quần áo, chăn chủ yếu do nguyên liệu, tính chất lý hóa của các loại xơ sợi bên trong. Tĩnh điện là hiện tượng xảy ra do mất cân bằng điện tích trên bề mặt của một vật liệu, do sự tương tác giữa các điện tích với nhau.

CH

Xét quả cầu kim loại nhỏ có điện tích −3,2.10⁻⁷C. Qủa cầu này thừa hay thiếu bao nhiêu electron?

Lời giải chi tiết:

Quả cầu này có điện tích âm nên quả cầu thừa electron và thừa số electron là:

\(n = \frac{q}{e} = \frac{{ - 3,{{2.10}^{ - 7}}}}{{ - 1,{{6.10}^{ - 19}}}} = {2.10^{12}}\)

CH

Sử dụng một số dụng cụ đơn giản mảnh lụa, miếng thuỷ tinh, vụn giấy nhỏ, lược nhựa, quả bóng bay, vỏ lon,... em hãy thực hiện thí nghiệm:

a) Làm nhiễm điện cho các vật.
b) Về tương tác giữa các vật nhiễm điện.

Lời giải chi tiết:

a) Ta có thể dùng vải khô, mảnh lụa cọ xát các vật như thước nhựa, miếng thủ tinh, lược nhựa,... để các vật bị nhiễm điện, và ta thấy vải khô, mảnh lụa, miếng thuỷ tinh, vụn giấy nhỏ, lược nhựa, quả bóng bay đều có xảy ra hiện tượng nhiễm điện còn vỏ lon thì không.

b) Tương tác giữa các vật nhiễm điện

Khi cọ xát thanh nhựa, lược nhựa với miếng vải khô thì những vật đó sẽ nhiễm điện âm và hút các vật như vụn giấy nhỏ, quả bóng bay

Khi cọ xát miếng thủy tinh bằng mảnh lụa thì những thủy tinh sẽ nhiễm diện dương và đẩy các vật như vụn giấy nhỏ, quả bóng bay

LT

Giải thích hiện tượng bị điện giật trong các trường hợp:

a) Khi chạm tay vào nắm cửa kim loại trong thời tiết hanh khô (Hình 11.1).

b) Khi chạm tay vào vỏ kim loại của máy tính đang hoạt động.

Lời giải chi tiết:

a) Cơ thể người còn là một bộ máy điện hóa rất đặc biệt, nên có thể tạo ra một lượng điện năng siêu nhỏ, đủ gây cảm giác hơi tê tê khi vô tình ma sát với một vật nào đó. Đó cũng là lý do vì sao khi ban vô tình chạm vào tay nắm cửa bằng kim loại, điện tích âm trên cơ thể sẽ tiếp tục tăng lên cho đến khi đủ sản sinh ra lượng điện yếu cho phép tích điện giữa bàn tay và tay nắm cửa đột ngột lóe tia lửa, cảm giác hơi tê tay.

b) Khi chạm tay vào vỏ kim loại của máy tính đang hoạt động thì hiện tượng tĩnh điện sẽ xảy ra khi độ ẩm thấp, tương tự như tóc của chúng ta thường bị dựng lên trong những ngày thời tiết hanh khô. Với những dòng máy tính có vỏ bằng kim loại tình trạng tĩnh điện sẽ càng dễ gặp

VD

Ngày nay, công nghệ sơn tĩnh điện (Hình 11.4) được sử dụng rất phổ biến với các ưu điểm vượt trội so với công nghệ sơn thường. Từ các nguồn tư liệu sách, báo, internet,... em hãy viết một bài giới thiệu ngắn về công nghệ sơn tĩnh điện.

Lời giải chi tiết:

Công nghệ sơn tĩnh điện trong tiếng anh có tên là Electro Static Power Coating Technology. Nó được xem là công nghệ hiện đại nhất hiện nay, được phát minh vào đầu thập niên những năm 1950 bởi tiến sỹ Erwin. Qua nhiều lần cải tiến bởi các nhà khoa học, nhà sản xuất và chế tạo thiết bị, đã giúp cho công nghệ sơn tĩnh điện ngày một tối ưu hơn giúp cho chất lượng sản phẩm và giá thành tốt hơn rất nhiều.

Hai dạng sơn tĩnh điện:

- Sơn tĩnh điện dạng khô (sơn bột): Là dạng phun bột trực tiếp không pha. Được ứng dụng sơn cho các sản phẩm bằng kim loại: sắt thép, nhôm, inox...

- Sơn tĩnh điện dạng ướt (sử dụng dung môi): Là dạng pha bột với dung môi hoặc nước. Được ứng dụng sơn cho các sản phẩm bằng kim loại, nhựa, gỗ,...

Hiện nay, chất liệu sơn tĩnh điện dạng bột được sử dụng phần lớn bởi tính hiệu quả mà hệ thống phun bột mang lại, nó cao hơn nhiều so với phun sơn dạng dung môi hoặc dạng nước. Sau khi phun, lượng bột không bám vào chi tiết sẽ được thu hồi và tái sử dụng lại lên đến trên 90%. So với các kỹ thuật phun sơn dạng ướt thì dạng bột có độ phủ lớn hơn. Lý do bởi vì dạng bột có thể phủ lên tất cả các góc cạnh và bề mặt của chi tiết mà chúng không thể trực diện với súng phun được.

TÌM HIỂU VỀ SƠN TĨNH ĐIỆN

Sơn tĩnh điện là một dạng vật liệu phủ được làm bằng một hợp chất hữu dạng bột được gia nhiệt, hay còn gọi là nhựa nhiệt dẻo. Sở dĩ được gọi tên là sơn tĩnh điện vì nó sử dụng phương pháp tích điện cho bột sơn nhằm tạo liên kết ion với chi tiết cần phủ. Sơn tĩnh điện còn được gọi là sơn khô vì tính chất phủ ở dạng bột, khi sử dụng bột sơn sẽ được tích một điện tích dương (+) và được đưa qua thiết bị được gọi là súng sơn tĩnh điện, đồng thời vật liệu cần sơn cũng sẽ được tích một điện tích âm (-) nhằm hình thành một lực hút tĩnh điện giữa hai ion trái dấu, hay còn gọi là liên kết ion. Do đây là một dạng liên kết ion nên bột sơn sẽ có độ bám dính rất tốt và bền.

Thành phần công thức của bột sơn sử dụng cho công nghệ sơn tĩnh điện bao gồm: Hợp chất polymer hữu cơ (Organic Polymer), curatives, bột màu, chất làm đều màu, và các chất phụ gia khác. Tất cả được trộn lại với nhau và được làm nóng chảy tạo để thành hỗn hợp đồng nhất, sau đó được làm nguội và nghiền thành dạng bột mịn, được gọi là bột sơn tĩnh điện.

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CÔNG NGHỆ SƠN TĨNH ĐIỆN

Sơn tĩnh điện được phủ lên trên bề mặt vật liệu bằng một loại súng phun sơn đặc biệt. Khi bột sơn tĩnh điện đi qua súng phun tĩnh điện sẽ được đun nóng và tích điện dương (+) tại đầu kim phun, sau đó đi qua kim phun và di chuyển theo điện trường để đến vật liệu sơn đã tích điện âm (-). Lúc này nhờ vào lực hút giữa các ion điện tích, bột sơn từ từ bám vào quanh vật liệu sơn. Phương pháp này giúp cho bột sơn được rải đều quanh vật liệu, và có thể di chuyển vào hầu hết các bề mặt bị khuất.

Nhìn chung, công nghệ phun sơn tĩnh điện khá là đơn giản, trong đó thiết bị chính là một súng phun tĩnh điện cùng với bộ điều khiển tự động. Bên cạnh đó là các thiết bị hỗ trợ khác như buồng phun sơn, thiết bị thu hồi bột sơn, buồng hấp bằng tia hồng ngoại (giúp điều chỉnh nhiệt độ và thời gian tắt mở). Các thiết bị hỗ trợ phun sơn như máy nén khí, hệ thống trước khi sơn như máy tách ẩm khí nén, các bồn chứa hóa chất bằng composite nhằm giúp cho xử lý bề mặt vật liệu trước khi sơn. 

Trong quá trình sơn tĩnh điện, vật liệu phủ cần được làm nóng ở nhiệt độ cao nhằm tránh cho bột sơn bị khô trước khi tiếp xúc tới vật liệu phủ. Do đó, bạn sẽ thấy nó chỉ thường áp dụng cho những vật phẩm bằng kim loại hoặc những vật có khả năng chịu được nhiệt độ cao. Quá trình làm nóng này tiêu tốn khá nhiều thời gian và công sức, nên để tối ưu cho sản xuất thì các mẻ sơn sẽ có đồng nhất một màu.

QUY TRÌNH PHUN SƠN TĨNH ĐIỆN

+ Bước 1: Chuẩn bị/xử lý bề mặt trước khi sơn.

+ Bước 2: Phun sơn tĩnh điện.

+ Bước 3: Sấy sơn.

+ Bước 4: Kiểm tra, đóng gói sản phẩm.

CH

1. Các cặp lực \(\overrightarrow {{F_{12}}} \) và \(\overrightarrow {{F_{21}}} \) trong Hình 11.5 có phải là các cặp lực cân bằng không? Vì sao?

2. Một mẩu sắt nhỏ 6 g có thể chứa khoảng 10²⁴ electron. Vậy vì sao các electron này không bay ra khỏi mẫu sắt, mặc dù giữa chúng luôn tồn tại lực đẩy?

Lời giải chi tiết:

1. Các cặp lực \(\overrightarrow {{F_{12}}} \) và \(\overrightarrow {{F_{21}}} \) có là những cặp lực cân bằng vì theo định luật III Newton ta có: Khi một vật tác dụng lực lên vật thể thứ hai, vật thứ hai sẽ tác dụng một lực cùng độ lớn và ngược chiều về phía vật thứ nhất.

2. Vì trong nguyên tử Sắt có chứa hạt proton mang điện tích dương để trung hòa lại các điện tích nên các hạt electron này không bay ra khỏi mẫu sắt.

CH

Hai vật nhỏ tích điện cùng dấu, ban đầu được giữ ở vị trí rất gần nhau. Dựa vào công thức (11.1), em hãy mô tả đặc điểm chuyển động của hai vật ngay thời điểm khi chúng được thả tự do. Giả sử hai vật chỉ chịu tác dụng của lực tương tác tĩnh điện giữa chúng.

Lời giải chi tiết:

Khi được thả tự do hai vật sẽ bị đẩy ra xa nhau theo phương trùng với đường thẳng nối hai vật đó.

LT

Theo mô hình nguyên tử của nhà vật lí Ernest Rutherford (Ơ-nít Rơ-dơ-pho) (1871- 1937), nguyên tử gồm hạt nhân (tập trung hầu hết khối lượng của nguyên tử và có kích thước rất nhỏ so với bán kính nguyên tử) mang điện tích dương và các electron mang điện tích âm chuyển động trên các quỹ đạo tròn xung quanh hạt nhân.

Xét mô hình nguyên tử Rutherford cho nguyên tử hydrogen (Hình 11.6), em hãy cho biết lực giữ cho electron chuyển động tròn quanh hạt nhân là lực gì? Xác định phương, chiều của lực đó.

Lời giải chi tiết:

Lực giữ cho electron chuyển động tròn quanh hạt nhân là lực tương tác tĩnh điện 

Phương của lực trùng với đường thẳng nối hai điện tích lại với nhau và chiều của lực tương tác giữa proton và electron hướng vào hai điện tích đó.

VD

Tại 3 điểm A, B, C cố định trong chân không, đặt 3 điện tích điểm có giá trị lần lượt là q₁=6.10⁻⁶C,q₂=−6.10⁻⁶C và q₃=3.10⁻⁶C. Biết AB = 3 cm, AC = 4cm và BC = 5cm Tính độ lớn lực tác dụng lên điện tích điểm đặt tại C.

Lời giải chi tiết:

Lực tương tác giữa điện tích q₁ tác dụng lên điện tích q₃ là: 

\({F_{13}} = k\frac{{\left| {{q_1}{q_2}} \right|}}{{A{C^2}}} = {9.10^9}.\frac{{\left| {{{6.10}^{ - 6}}{{.3.10}^{ - 6}}} \right|}}{{0,{{04}^2}}} = 101,25N\)

Lực tương tác giữa điện tích q₂ tác dụng lên điện tích q₃ là: 

\({F_{23}} = k\frac{{\left| {{q_2}{q_3}} \right|}}{{A{C^2}}} = {9.10^9}.\frac{{\left| { - {{6.10}^{ - 6}}{{.3.10}^{ - 6}}} \right|}}{{0,{{05}^2}}} = 64,8N\)

Ta có góc tạo bởi hai vector \(\overrightarrow {{F_{13}}} \) và \(\overrightarrow {{F_{23}}} \)là α=143,13°

Độ lớn tác dụng lên điện tích q₃ là

\(F = \sqrt {F_{13}^2 + F_{23}^2 + 2{F_{13}}{F_{23}}\cos \alpha }  = \sqrt {101,{{25}^2} + 64,{8^2} + 2.101,25.64,8.\cos 143,13^\circ }  = 62,873N\)

Bài 1

Sau khi cọ xát thanh thuỷ tinh (trung hoà về điện) với mảnh lụa, thanh thuỷ tinh tích điện dương và có giá trị 13 nC. Hãy giải thích quá trình tích điện cho thanh thuỷ tinh và xác định số electron đã bị bứt ra khỏi thanh thuỷ tinh.

Lời giải chi tiết:

khi hai vật trung hòa về điện cọ xát với nhau thanh thủy tinh sẽ bị mất một số electron và tích điện dương. Mảnh lụa sẽ nhận được electron của thanh thủy tinh và sẽ tích điện âm. Theo định luật bảo toàn điện tích thì tổng điện tích của hai vật sau khi tiếp xúc bằng không. Nên số số electron đã bị bứt ra khỏi thanh thuỷ tinh là 13 nC

Bài 2

Một phân tử DNA bao gồm hai nhánh xoắn kép được liên kết với nhau có chiều dài 0,459.10⁻⁶ m. Phần đuôi của phân tử có thể bị ion hoá mang điện tích âm q₁=−1,6.10⁻¹⁹ C đầu còn lại mang điện tích dương q₂=1,6.10⁻¹⁹ C. Phân tử xoắn ốc này hoạt động như một lò xo và bị nén 1% sau khi bị tích điện. Xác định “độ cứng k” của phân tử. Biết phân tử DNA trong nhân tế bào và môi trường xung quanh là nước; hằng số điện môi của nước là 81.

Lời giải chi tiết:

Khoảng cách của phân tử sau khi tích điện là: 0,459.10⁻⁶−0,459.10⁻⁶.1N

Độ cứng K cần tìm là: 

\(F = k\frac{{\left| {{q_1}{q_2}} \right|}}{{\varepsilon {r^2}}} = {9.10^9}\frac{{\left| { - 1,{{6.10}^{ - 19}}.1,{{6.10}^{ - 19}}} \right|}}{{81.{{(0,{{454.10}^{ - 6}})}^2}}} = 1380,{02.10^{ - 20}}N\)

Bài 3

Hai quả cầu A, B có kích thước nhỏ được đặt cách nhau một khoảng 12 cm trong chân không. Biết quả cầu A có điện tích −3,2.10⁻⁷ C và quả cầu B có điện tích 2,4.10⁻⁷C

a) Tính lực tương tác giữa hai quả cầu.

b) Cho hai quả cầu tiếp xúc với nhau, sau đó đặt cách nhau một khoảng như lúc đầu. Biết rằng, sau khi tiếp xúc, hai quả cầu có điện tích bằng nhau. Tính lực tương tác giữa hai quả cầu lúc này.

Lời giải chi tiết:

a) Lực tương tác giữa hai quả cầu:

\(F = k\frac{{\left| {{q_1}{q_2}} \right|}}{{{r^2}}} = {9.10^9}\frac{{\left| { - 3,{{2.10}^{ - 7}}.2,{{4.10}^{ - 7}}} \right|}}{{0,{{12}^2}}} = 0,048N\)

b) Điện tích của quả cầu sau khi tiếp xúc là: 

\(q{'_1} = q{'_2} = \frac{{{q_1} + {q_2}}}{2} = \frac{{ - 3,{{2.10}^{ - 7}} + 2,{{4.10}^{ - 7}}}}{2} =  - 0,{4.10^{ - 7}}C\)

Lực tương tác giữa hai quả cầu lúc này:

\(F' = k\frac{{\left| {q{'_1}q{'_2}} \right|}}{{{r^2}}} = {9.10^9}\frac{{\left| {{{( - 0,{{4.10}^{ - 7}})}^2}} \right|}}{{0,{{12}^2}}} = 0,001N\)

Lí thuyết