Điện tích là một đặc tính
mà một số, nhưng không phải tất cả các hạt cơ bản có trong tự nhiên
Các hạt được đề cập
đến nhiều nhất về điện tích là electron,
chúng quay quanh bên ngoài của nguyên tử.
Electron mang điện tích âm.
Ngoài ra còn có proton, chúng nằm
bên trong hạt nhân và mang điện tích dương.
Các nơtron bên trong hạt nhân
không mang điện tích.
Hóa ra tất cả các hạt mang điện cơ bản
trong vũ trụ đều có điện tích là
bội số nguyên của điện tích sơ cấp.
Vì vậy, nếu bạn tìm thấy một hạt trong tự nhiên,
điện tích của nó sẽ là một lần số này,
hai lần số này, ba lần số này,
và có thể dương hoặc âm.
Ví dụ, electron có điện tích -1,6
lần 10 mũ trừ 19 Culông,
và điện tích của proton là 1,6
lần 10 mũ trừ 19 Culông,
Tuy nhiên, hầu hết các nguyên tử trong vũ trụ
nhìn chung đều trung hòa về điện,
vì chúng sẽ có cùng số electron âm
như số proton dương.
Nhưng nếu một nguyên tử có quá nhiều electron,
tổng thể nguyên tử đó sẽ mang điện tích âm,
và nếu một nguyên tử thiếu quá nhiều electron,
tổng thể nguyên tử đó sẽ mang điện tích dương.
Và điều thực sự quan trọng cần nhớ là
điện tích luôn được bảo toàn
trong mọi quá trình. Nói cách khác,
tổng điện tích ban đầu, sẽ bằng
tổng điện tích cuối cùng sau bất kỳ quá trình nào.
Vậy một bài toán ví dụ liên quan
đến điện tích sẽ trông như thế nào?
Giả sử ba quả cầu kim loại có kích thước giống hệt nhau
ban đầu có các điện tích như dưới đây.
5 Q, 3 Q và -2 Q.
Nếu chúng ta chạm quả cầu X vào quả cầu Y, rồi tách chúng ra,
sau đó chạm quả cầu Y vào quả cầu Z, rồi tách chúng ra,
thì điện tích cuối cùng trên mỗi quả cầu sẽ là bao nhiêu?
Được rồi, trước tiên, khi chúng ta chạm X vào Y,
tổng điện tích đã được bảo toàn.
Tổng điện tích của cả ba quả cầu là 8 Q,
và vì chúng có kích thước giống hệt nhau
chúng sẽ cùng chia sẻ tổng điện tích đó
điều này có nghĩa là sau khi chạm nhau
cả hai quả cầu X và Y đều sẽ mang điện tích dương 4 Q.
Nếu một trong những quả cầu lớn hơn,
nó sẽ nhận được nhiều điện tích hơn,
nhưng tổng điện tích vẫn được bảo toàn.
Bây giờ, khi quả cầu Y chạm vào quả cầu Z,
tổng điện tích của chúng tại thời điểm đó
sẽ là 4 Q cộng với -2 Q,
bằng 2 Q.
Chúng sẽ chia đều điện tích này, vì vậy quả cầu Y sẽ
mang điện tích dương Q, và quả cầu Z cũng sẽ mang điện tích dương Q.
Do đó, câu trả lời ở đây là C.
Trái dấu thì hút nhau, cùng dấu thì đẩy nhau,
Định luật Culông giúp bạn xác định
độ lớn của lực điện giữa hai điện tích.
Công thức của Định luật Culông nói rằng
độ lớn của lực điện giữa hai điện tích
Q1 và Q2 bằng
hằng số điện K, bằng 9 nhân 10 mũ 9,
nhân tích của hai điện tích, được đo bằng đơn vị Culông
chia cho bình phương khoảng cách
giữa tâm của hai điện tích đó, bình phương nhé.
Bạn không thể quên bình phương khoảng cách đâu nhé.
Khoảng cách này phải được đo theo mét
để lực thu được có đơn vị Newton theo hệ SI.
Cũng lưu ý rằng, dấu âm và dấu dương của điện tích
không cho biết hướng của lực,
mà chỉ đơn giản là nhớ rằng các điện tích trái dấu hút nhau
cùng dấu thì đẩy nhau, và dùng Định luật Culông
để tính độ lớn của lực.
Vậy một bài toán ví dụ liên quan đến
Định luật Culông sẽ như thế nào?
Giả sử hai điện tích tác dụng lên nhau
một lực điện có độ lớn là F.
Độ lớn của lực điện mới sẽ là bao nhiêu
nếu khoảng cách giữa các điện tích tăng gấp ba lần
và độ lớn của một trong các điện tích tăng gấp đôi?
Biết rằng công thức của Định luật Culông
nói rằng lực giữa hai điện tích bằng
hằng số điện nhân với một điện tích,
nhân với điện tích còn lại, chia cho
bình phương khoảng cách giữa chúng, và giờ nếu như chúng ta tăng gấp ba khoảng cách
và tăng gấp đôi một điện tích, thì lực điện mới
sẽ bằng hằng số điện nhân với một trong các điện tích,
nhân với hai lần một trong các điện tích,
chia cho ba lần khoảng cách, tất cả bình phương.
Vậy, tôi sẽ có một thừa số 2 ở tử số,
và thừa số 3 sẽ bình phương lên,
dẫn đến thừa số 9 ở mẫu số.
Nếu tính toán các thừa số này, ta thấy lực mới
sẽ bằng hai phần chín nhân với K, Q1, Q2,
chia D bình phương, nhưng toàn bộ
biểu thức này chính xác bằng lực cũ F, do đó lực mới
sẽ bằng hai phần chín của lực cũ.
Dòng điện (ký hiệu I) cho biết lượng Culông điện tích
chạy qua một điểm trên dây dẫn mỗi giây.
Nghĩa là nếu bạn quan sát một điểm trên dây dẫn,
và đếm xem có bao nhiêu Culông điện tích
đi qua điểm đó mỗi giây, thì đó chính là dòng điện.
Hoặc dưới dạng phương trình, dòng điện I
bằng lượng điện tích chạy qua
một điểm trên dây dẫn theo thời gian.
Điều này cho ta biết đơn vị của I là Culông trên giây,
được viết tắt là Ampe.
Vì điện tích và thời gian không phải đại lượng vectơ,
nên dòng điện cũng không phải đại lượng vectơ.
Một điều hơi lạ
là cái gọi là hướng quy ước của dòng điện
sẽ là hướng mà các điện tích dương di chuyển trong dây dẫn.
Tuy nhiên, trên thực tế các điện tích dương không di chuyển trong dây dẫn.
Điện tích duy nhất thực sự di chuyển
trong dây dẫn là điện tích âm, nhưng hóa ra
việc điện tích âm di chuyển sang trái về mặt vật lý
thì giống hệt như điện tích dương di chuyển sang phải.
Vì vậy, trong các bài toán vật lý, chúng ta giả vờ
như thể các điện tích dương đang di chuyển,
nhưng thực sự thì các electron, mang điện tích âm,
mới là những hạt di chuyển trong dây dẫn.
Một ví dụ về bài toán liên quan
đến dòng điện thì sẽ như thế nào?
Giả sử có một dòng điện 3 Ampe chạy trong mạch.
Hỏi lượng điện tích đi qua một điểm trên dây dẫn đó
trong khoảng thời gian 5 phút là bao nhiêu?
Chúng ta đã biết định nghĩa về dòng điện
là lượng điện tích trên một đơn vị thời gian, điều này có nghĩa là điện tích
sẽ bằng lượng dòng điện nhân với thời gian,
vì vậy chúng ta lấy dòng điện là 3 ampe,
và nhân với thời gian, nhưng chúng ta không thể
nhân với 5 vì đơn vị là phút,
vì ampe là Culông trên giây,
chúng ta phải đổi 5 phút thành giây,
sẽ là 5 phút, nhân với 60 giây cho mỗi phút
sẽ cho chúng ta tổng điện tích
là 900 Culông.
Điện trở của một linh kiện trong mạch cho biết
mức độ linh kiện đó hạn chế dòng điện chạy qua.
Điện trở càng lớn,
dòng điện chạy qua càng ít.
Định luật Ôm định nghĩa điện trở theo cách này.
Định luật Ôm nói rằng cường độ
dòng điện chạy qua một phần của mạch điện
tỉ lệ thuận với hiệu điện thế
giữa hai đầu phần đó, chia cho điện trở
của phần mạch đó.
Vì vậy, giữa hai điểm này, cường độ
dòng điện sẽ chạy qua, sẽ bằng
hiệu điện thế giữa hai điểm đó,
chia cho điện trở giữa hai điểm đó.
Do đó, điện trở càng lớn thì dòng điện
chạy qua càng ít, nhưng hiệu điện thế cung cấp càng lớn,
càng lớn thì dòng điện chạy qua càng nhiều.
Và đây là những gì định luật Ôm nói
Mặc dù định luật Ôm cung cấp cho bạn một cách
để xác định điện trở, bạn cũng có thể xác định điện trở
của một linh kiện trong mạch bằng cách biết
kích thước và hình dạng của linh kiện đó
Nói cách khác, điện trở của một điện trở hình trụ,
bằng điện trở suất,
đó là đặc tính tự nhiên chống lại dòng điện
của vật liệu, nhân với chiều dài của điện trở,
điện trở càng dài thì điện trở càng lớn
và càng cản trở dòng điện,
rồi chia cho tiết diện ngang của điện trở
vùng này ở ngay đây
nơi dòng điện đi vào hoặc đi ra khỏi điện trở
Nếu điện trở hình trụ, diện tích của hình tròn này
sẽ bằng Pi nhân r bình phương,
trong đó r nhỏ là bán kính của tiết diện này.
Đơn vị của điện trở là Ôm, và nó không phải là một đại lượng vectơ.
Điện trở luôn luôn dương hoặc bằng 0.
Vậy một bài toán ví dụ liên quan đến Định luật Ôm,
hoặc điện trở của điện trở hình trụ sẽ trông như thế nào?
Giả sử một pin có điện áp V được nối với
một điện trở hình trụ đơn có chiều dài L
và bán kính r nhỏ, và khi đó
dòng điện I đang chạy qua pin.
Điện trở suất Rho của điện trở đó là bao nhiêu?
Theo Định luật Ôm, dòng điện
chạy qua một phần của mạch sẽ bằng
hiệu điện thế giữa hai đầu phần đó,
chia cho điện trở của phần mạch đó.
Điều này có nghĩa là điện trở của điện trở này sẽ bằng
điện áp của pin chia cho dòng điện.
Để đưa điện trở suất vào phép tính này, chúng ta cần sử dụng
công thức tính điện trở của điện trở hình trụ,
bằng Rho nhân với L chia cho A.
Biến đổi này cho chúng ta điện trở của điện trở,
bằng V trên I,
và bây giờ chúng ta có thể giải để tìm điện trở suất Rho.
Kết quả thu được là V nhân A trên cho I và L
nhưng vì chúng ta được cung cấp bán kính r nhỏ,
nên chúng ta phải viết diện tích theo bán kính đó
sẽ bằng V nhân Pi, r bình phương, chia cho I nhân L
đáp án là C.
Khi xử lý các mạch điện phức tạp với nhiều điện trở,
bạn thường phải giảm các điện trở đó
thành các giá trị điện trở tương đương nhỏ hơn.
Có hai cách để thực hiện việc này
tìm hai điện trở được mắc nối tiếp hoặc mắc song song.
Các điện trở được coi là mắc nối tiếp
nếu cùng một dòng điện chạy qua
điện trở thứ nhất cũng chạy qua điện trở thứ hai.
Nếu dòng điện phân nhánh giữa chúng,
thì các điện trở này không còn được coi là mắc nối tiếp
nhưng nếu chúng được mắc nối tiếp, bạn có thể
tìm điện trở tương đương của đoạn dây này
bằng cách chỉ cần cộng tổng hai điện trở riêng lẻ.