Điện tích là khái niệm quan trọng trong vật lý, ảnh hưởng đến mọi hiện tượng điện từ trong tự nhiên và công nghệ. Cùng AME Group thông tin chi tiết từ A-Z về khái niệm, ký hiệu, tính chất, định luật Coulomb, tương tác với điện trường, từ trường và ứng dụng thực tiễn ngay trong bài viết sau đây.
Điện tích là gì?
Điện tích hay còn có tên gọi khác là điện lượng, là một tính chất vật lý của vật chất, biểu thị khả năng của vật thể trong việc tương tác với lực điện từ. Thường có hai loại: Dương (+) và âm (-). Cùng dấu đẩy nhau, trái dấu hút nhau theo định luật Coulomb.
Hạt mang điện cơ bản là electron (-1,6 x 10 mũ -19 C) và proton (+1,6 x 10 mũ -19 C). Tổng lượng điện trong một hệ cô lập luôn được bảo toàn theo định luật bảo toàn.
Vật có thể nhiễm điện bằng cách cọ xát, tiếp xúc hoặc hưởng ứng, đo bằng đơn vị Coulomb (C) trong hệ SI. Một Coulomb tương đương với lượng điện được vận chuyển bởi dòng điện 1 ampere trong 1 giây.
Ký hiệu của điện tích
Trong vật lý, điện tích thường được ký hiệu bằng chữ q hoặc Q, tùy thuộc vào ngữ cảnh. Chữ thường q dùng để biểu thị hạt mang điện điểm hoặc hạt mang điện nhỏ, trong khi chữ hoa Q thường chỉ tổng khối điện của một hệ lớn hơn.
Trong điện trường, nó có thể được biểu diễn kèm dấu (+) hoặc (-). Trong phương trình Maxwell, ρ (rho) dùng để ký hiệu mật độ điện trong không gian. Điện lượng cũng liên quan đến dòng điện qua công thức I = dQ/dt, cho thấy mối liên hệ giữa lượng hạt chứa điện và dòng điện theo thời gian.
Điện tích định luật Cu lông
Định luật Coulomb mô tả lực tương tác giữa hai điện tích điểm trong môi trường chân không hoặc không khí. Lực này có độ lớn tỉ lệ thuận với tích của hai nguồn điện lượng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng:
F= k|q1.q2|/r2
Trong đó:
- F là lực tác dụng (N).
- k là hằng số Coulomb (8.99×1098.99 \times 10^98.99×109 Nm²/C²).
- q1,q2 là độ lớn lượng điện (C).
- r là khoảng cách giữa hai điện lượng (m).
Tính chất cơ bản của Q
Điện tích Q có ba tính chất quan trọng:
- Tính bảo toàn: Tổng điện lượng trong một hệ cô lập luôn không đổi. Khi các vật trao đổi năng lượng, chúng chỉ chuyển từ vật này sang vật khác mà không tự sinh ra hay mất đi.
- Tính lượng tử hóa: Điện tích luôn là bội số nguyên của nguyên tố (e = 1,6 x 10 mũ -19 C). Không tồn tại hạt điện nhỏ hơn e ở trạng thái tự do trong tự nhiên.
- Tính tương tác theo định luật Coulomb: Hạt chứa điện cùng dấu đẩy nhau, trái dấu hút nhau với lực tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách.
Q tồn tại ở mọi nơi
Q không chỉ xuất hiện trong các thí nghiệm vật lý mà còn tồn tại khắp vũ trụ. Mọi vật chất đều chứa điện năng do proton và electron tạo thành. Trong tự nhiên, hạt mang điện có thể thấy ở sét, hiện tượng tĩnh điện và từ trường trái đất.
Ở cấp độ nguyên tử, điện tích quyết định cách các nguyên tử liên kết tạo thành phân tử và vật chất. Trong công nghệ, nó điều khiển hoạt động của linh kiện bán dẫn, như transistor và vi xử lý.
Q có tính bảo tồn năng lượng
Điện tích Q không chỉ tuân theo định luật bảo toàn mà còn liên quan chặt chẽ đến năng lượng. Khi di chuyển trong điện trường, nó tích lũy hoặc giải phóng năng lượng dưới dạng điện thế.
Năng lượng điện trường lưu trữ trong một hệ có thể tính bằng công thức:
W = ½ CV2
Trong đó:
- W là năng lượng (Joule).
- C là điện dung (Farad).
- V là điện áp (Volt).
Định lượng điện tích
Q được định lượng dựa trên đơn vị Coulomb (C), với giá trị cơ bản là nguyên tố e = 1,6 x 10 mũ -19 C. Mọi điện tích trong tự nhiên đều là bội số nguyên của e, nghĩa là Q = n x e, với n là số nguyên.
Trong hệ động lực học điện từ, nó còn có thể biểu diễn dưới dạng mật độ điện tích (ρ), tính theo:
ρ = Q/V
Trong đó V là thể tích (m³).
Ngoài ra, dòng điện cũng thể hiện sự thay đổi của điện tích theo thời gian theo công thức I = dQ/dt, giúp đo lường và kiểm soát lượng hạt có điện trong mạch điện, pin và linh kiện bán dẫn hiện đại.
Tương tác điện tích
Tương tác giữa các điện tích là một trong những hiện tượng cơ bản của điện từ học. Hai hạt mang điện cùng dấu đẩy nhau, trong khi hai hạt điện trái dấu hút nhau. Lực tương tác này có độ lớn xác định bởi công thức:
F= k.|q1.q2|/r2
Ngoài lực Coulomb, điện tích còn tạo ra điện trường (E) xung quanh, tác động lên hạt mang điện khác theo:
E = F/q
Tương tác giữa hai Q
Hai điện tích Q1 và Q2 tương tác với nhau thông qua lực Coulomb, có thể là lực hút hoặc lực đẩy tùy theo dấu của chúng. Lực này không chỉ phụ thuộc vào độ lớn lượng hạt có điện mà còn vào môi trường giữa chúng.
Trong môi trường chân không, lực Coulomb được tính bằng:
F = k|Q1.Q2|/r2
Tuy nhiên, trong môi trường có hằng số điện môi ε, lực giảm đi theo hệ số 1/ε. Điều này giải thích vì sao trong chất điện môi như nước, lực tương tác giữa các ion yếu hơn so với trong không khí.
Tương tác giữa Q và điện
Một điện tích Q khi đặt trong điện trường E sẽ chịu tác dụng của một lực điện:
F= Q.E
Lực này quyết định chuyển động của hạt mang điện trong điện trường, ứng dụng quan trọng trong máy gia tốc hạt và ống tia điện tử.
Trong mạch điện, Q cũng liên quan đến hiệu điện thế V, với mối quan hệ:
V=W/Q
trong đó W là công dịch chuyển điện lượng. Đây là nguyên lý nền tảng cho hoạt động của tụ điện và linh kiện bán dẫn.
Tương tác giữa Q và từ
Một Q chuyển động trong từ trường B sẽ chịu tác dụng của lực Lorentz, được tính theo công thức:
F = Q(v x B)
Trong đó:
- v là vận tốc của hạt chứa điện.
- B là vectơ cảm ứng từ.
- x là tích có hướng, cho thấy lực vuông góc với cả hướng chuyển động và từ trường.
Tương tác giữa Q cùng với điện và từ
Khi một Q chuyển động trong cả điện trường (E) và từ trường (B), nó chịu tác động của lực Lorentz tổng quát:
F = Q(E + v x B)
Trong đó:
- E tác động theo phương thẳng, làm tăng tốc điện năng,
- B gây ra lực vuông góc với vận tốc, làm hạt điện chuyển động theo quỹ đạo xoắn ốc.
Điện tích là yếu tố cốt lõi trong điện từ học, quyết định nhiều hiện tượng tự nhiên và ứng dụng công nghệ hiện đại. Hy vọng bài viết đã cung cấp cho bạn các kiến thức hữu ích về chủ đề này. Để khám phá thêm các giải pháp kỹ thuật tiên tiến, hãy đồng hành cùng AME Group trong các ứng dụng công nghệ điện và điện tử nhé!