Giải thích sự nhiễm điện do ma sát, tiếp xúc và cảm ứng
Tìm hiểu cách ma sát, tiếp xúc và cảm ứng làm vật nhiễm điện thông qua sự truyền electron và phân cực. Có ví dụ có lời giải, ngộ nhận thường gặp và bài tập kiểu HSC.
Chà một thanh nhựa bằng vải và thanh nhựa có thể hút những mẩu giấy nhỏ. Cho một quả cầu kim loại đã tích điện chạm vào một quả cầu trung hòa và cuối cùng cả hai đều có thể mang điện. Đưa một thanh đã tích điện đến gần một quả cầu kim loại mà không chạm vào nó, các điện tích bên trong quả cầu vẫn dịch chuyển.
Thoạt nhìn, đây có vẻ là ba hiện tượng khác nhau. Thực ra, chúng chỉ là những cách khác nhau để kiểm soát cùng một điều: các electron đang ở đâu.
Trước khi đọc tiếp, hãy dự đoán điều này: nếu đưa một thanh mang điện âm đến gần một quả cầu kim loại trung hòa nhưng không bao giờ chạm vào nó, quả cầu đã trở thành vật mang điện dương chưa?
Chưa. Các điện tích trong quả cầu đã sắp xếp lại, nhưng điện tích tổng vẫn bằng không. Sự khác biệt giữa làm điện tích dịch chuyển bên trong vật và chuyển điện tích vào hoặc ra khỏi vật chính là chìa khóa để hiểu sự nhiễm điện do ma sát, tiếp xúc và cảm ứng.
01Bắt đầu với những hạt thực sự có thể di chuyển
Một vật thông thường chứa proton mang điện dương và electron mang điện âm.
Các proton bị giữ cố định bên trong hạt nhân nguyên tử. Trong các quá trình nhiễm điện được nghiên cứu trong Vật lý HSC, chúng không di chuyển từ vật này sang vật khác. Electron là những hạt di chuyển.
Từ đó, ta có một quy tắc hữu ích:
- một vật nhận thêm electron sẽ trở thành vật mang điện âm
- một vật mất electron sẽ trở thành vật mang điện dương
- một vật trung hòa có tổng điện tích dương và âm bằng nhau
Trong các quá trình tĩnh điện thông thường, một vật mang điện dương không phải là do nó “nhận thêm điện tích dương”. Nó đã mất một số electron.
Điện tích cũng được bảo toàn. Electron có thể di chuyển giữa các vật, hoặc giữa một vật và Trái Đất, nhưng điện tích không tự nhiên được tạo ra từ hư không.
02Vật dẫn điện và vật cách điện có hành vi khác nhau
Trước khi so sánh các phương pháp làm nhiễm điện, ta cần phân biệt một điều.
Trong một vật dẫn điện, một số electron có thể di chuyển tự do trong vật liệu. Kim loại là ví dụ chính trong HSC. Nếu một phần của vật kim loại chịu lực điện, các electron tự do của nó có thể phân bố lại.
Trong một vật cách điện, electron kém tự do hơn nhiều trong việc di chuyển qua vật. Vì vậy, điện tích được truyền sang có thể vẫn tập trung gần vị trí mà nó được đặt vào.
Hãy tưởng tượng các học sinh tại một buổi dạ hội của trường. Trong vật dẫn điện, mọi người đều được phép di chuyển quanh phòng. Nếu có chuyện khó xử xảy ra ở một đầu phòng, đám đông có thể dịch chuyển.
Trong vật cách điện, mỗi người đã được chỉ định một chỗ ngồi. Họ có thể hơi nghiêng người, nhưng không thể đồng loạt di chuyển sang phía bên kia căn phòng.
Phép so sánh này có giới hạn. Electron không đưa ra các quyết định xã hội, và ngay cả các điện tích liên kết trong vật cách điện cũng có thể dịch chuyển một chút bên trong nguyên tử hoặc phân tử. Ý quan trọng chỉ đơn giản là điện tích di chuyển tự do hơn nhiều trong vật dẫn điện.
03Nhiễm điện do ma sát
Giả sử hai vật liệu cách điện ban đầu trung hòa được chà xát vào nhau rồi tách ra. Một vật trở thành mang điện âm và vật kia mang điện dương.
Điện tích đến từ đâu?
Một câu trả lời dễ nghĩ tới là ma sát tạo ra điện tích. Điều đó không đúng.
Khi các vật liệu khác nhau được đưa vào tiếp xúc rất gần, các electron của chúng không nhất thiết có cùng xu hướng duy trì liên kết với từng vật liệu. Một số electron có thể truyền qua bề mặt tiếp xúc. Việc chà xát làm tăng diện tích và số lần tiếp xúc, vì vậy quá trình truyền electron có thể trở nên rõ rệt hơn.
Sau khi các vật liệu tách ra:
- vật liệu nhận thêm electron có điện tích tổng âm
- vật liệu mất electron có một lượng điện tích dương bằng về độ lớn, nếu cặp vật là một hệ cô lập
Vì vậy, mô hình HSC đơn giản hóa là sự truyền electron giữa các vật liệu khác nhau.
Nói chính xác hơn, các chi tiết vi mô của sự nhiễm điện do hiệu ứng triboelectric có thể phức tạp hơn một bảng xếp hạng đơn giản về chất nào “ưa electron hơn”. Tình trạng bề mặt, chất bẩn, độ ẩm và các vật liệu cụ thể đều có ảnh hưởng. Trong tĩnh điện học HSC, mô hình quan trọng là electron được truyền đi trong khi tổng điện tích được bảo toàn.
Ví dụ có lời giải: Có bao nhiêu electron đã được truyền đi?
Một dải nhựa tích điện đến \(-3.2\ \text{nC}\) sau khi được chà bằng vải. Giả sử điện tích của nó là do electron được truyền sang, có bao nhiêu electron dư trên dải nhựa?
Bước 1
Điện tích âm có nghĩa là dải nhựa đã nhận thêm electron.
Bước 2
Độ lớn điện tích của electron là
\[ e = 1.60 \times 10^{-19}\ \text{C} \]
Số electron được truyền \(N\) liên hệ với độ lớn tổng điện tích \(Q\) theo
\[ N = \frac{|Q|}{e} \]
trong đó \(Q\) được đo bằng coulomb và \(e\) là độ lớn điện tích của một electron.
Bước 3
\[ \begin{aligned} |Q| &= 3.2 \times 10^{-9}\ \text{C} \\ N &= \frac{3.2 \times 10^{-9}}{1.60 \times 10^{-19}} \\ &= 2.0 \times 10^{10} \end{aligned} \]
Bước 4
Dải nhựa đã nhận thêm khoảng
\[ \boxed{2.0 \times 10^{10}\ \text{electron}} \]
Con số này nghe có vẻ rất lớn, nhưng nó chỉ là một phần cực nhỏ so với toàn bộ số electron vốn đã có trong một vật vĩ mô.
04Nhiễm điện do tiếp xúc
Bây giờ, hãy thay các thanh cách điện bằng các quả cầu kim loại dẫn điện.
Giả sử quả cầu A mang điện dương còn quả cầu B trung hòa. Cả hai đều được đặt trên các giá cách điện để điện tích không thể thoát xuống Trái Đất.
Điều gì xảy ra nếu chúng chạm nhau?
Vì các quả cầu là vật dẫn điện, các electron tự do có thể di chuyển qua điểm tiếp xúc. Quả cầu mang điện dương đang thiếu electron, vì vậy electron di chuyển từ quả cầu trung hòa về phía nó.
Sự phân bố lại tiếp tục cho đến khi các vật dẫn được nối với nhau đạt trạng thái cân bằng tĩnh điện.
Sau khi tách ra, cả hai vẫn có thể mang điện dương.
Tiếp xúc có luôn chia đều điện tích không?
Không.
Đây là một trong những quy tắc tắt dễ bị áp dụng quá mức nhất.
Hai quả cầu dẫn điện giống hệt nhau, khi được tách đủ xa sau khi tiếp xúc, sẽ chia đều tổng điện tích vì hình học của chúng giống nhau.
Đối với các vật dẫn không giống nhau, bạn không thể tự động chia tổng điện tích cho hai. Sự phân bố cuối cùng phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của các vật dẫn vì trạng thái cân bằng tĩnh điện đòi hỏi các vật dẫn đang nối với nhau phải có cùng điện thế.
Ví dụ có lời giải: Electron đã di chuyển theo hướng nào?
Hai quả cầu dẫn điện giống hệt nhau và cô lập có điện tích ban đầu lần lượt là \(+10\ \text{nC}\) và \(-2\ \text{nC}\). Chúng chạm nhau, đạt trạng thái cân bằng tĩnh điện rồi được tách ra. Hãy tìm điện tích cuối cùng trên mỗi quả cầu và số electron được truyền trong quá trình tiếp xúc.
Bước 1
\[ Q_{\text{total}} = +10\ \text{nC} + (-2\ \text{nC}) = +8\ \text{nC} \]
Điện tích được bảo toàn vì hệ gồm hai quả cầu là một hệ cô lập.
Bước 2
Hai quả cầu giống hệt nhau sẽ chia đều tổng điện tích sau khi đạt cân bằng:
\[ Q_{\text{final}} = \frac{+8\ \text{nC}}{2} = +4\ \text{nC} \]
Vì vậy, mỗi quả cầu cuối cùng có điện tích
\[ \boxed{+4\ \text{nC}} \]
Bước 3
Quả cầu ban đầu có \(+10\ \text{nC}\) kết thúc ở \(+4\ \text{nC}\).
Điện tích của nó thay đổi một lượng
\[ \Delta Q = +4\ \text{nC} - (+10\ \text{nC}) = -6\ \text{nC} \]
Sự thay đổi theo hướng ít dương hơn có nghĩa là quả cầu đó đã nhận thêm electron.
Vì vậy, một lượng điện tích âm có độ lớn \(6\ \text{nC}\) đã truyền sang nó từ quả cầu còn lại.
Bước 4
\[ \begin{aligned} N &= \frac{6.0 \times 10^{-9}}{1.60 \times 10^{-19}} \\ &= 3.75 \times 10^{10} \end{aligned} \]
Do đó,
\[ \boxed{3.75 \times 10^{10}\ \text{electron}} \]
đã di chuyển từ quả cầu ban đầu có \(-2\ \text{nC}\) sang quả cầu ban đầu có \(+10\ \text{nC}\).
Hãy chú ý thứ đã di chuyển: electron. Ta không mô tả các hạt mang điện dương di chuyển theo hướng ngược lại qua kim loại.
05Sự phân cực: sắp xếp lại mà không làm thay đổi điện tích tổng
Nhiễm điện do cảm ứng sẽ dễ hiểu hơn nhiều khi bạn hiểu sự phân cực.
Lấy một quả cầu dẫn điện trung hòa. Tổng điện tích dương và âm trong nó bằng nhau.
Bây giờ đưa một thanh mang điện âm đến gần phía bên trái của quả cầu mà không chạm vào nó.
Hãy dự đoán các electron tự do của quả cầu sẽ di chuyển về đâu.
Chúng bị thanh âm đẩy ra xa, vì vậy chúng di chuyển về phía bên kia của quả cầu.
Phía gần thanh bị thiếu electron và do đó có biểu hiện như mang điện dương. Phía xa có dư electron và có biểu hiện như mang điện âm.
Nhưng không có electron nào đi vào hoặc rời khỏi quả cầu.
Tổng điện tích của nó vẫn là
\[ Q_{\text{net}} = 0 \]
Sự tách biệt điện tích dương và âm bên trong một vật được gọi là sự phân cực.
Tại sao một vật trung hòa có thể bị hút bởi một vật mang điện?
Điều này giải thích lực hút giữa một vật mang điện và một số vật trung hòa.
Giả sử thanh bên ngoài mang điện âm. Nó làm phân cực một vật dẫn trung hòa ở gần, khiến điện tích dương tập trung ở phía gần hơn và điện tích âm ở phía xa hơn.
Thanh mang điện âm:
- hút vùng dương ở gần hơn
- đẩy vùng âm ở xa hơn
Lực điện yếu đi khi khoảng cách tăng. Vì vậy, tương tác hút với vùng ở gần mạnh hơn tương tác đẩy với vùng ở xa.
Kết quả có thể là một lực hút tổng hợp, mặc dù vật kia vẫn trung hòa về tổng thể.
Đó là lý do vì sao kết luận “nó bị hút nên chắc chắn phải có điện tích tổng trái dấu” là không đáng tin cậy.
06Nhiễm điện do cảm ứng
Chỉ riêng sự phân cực không thể làm một vật dẫn cô lập mang điện vĩnh viễn.
Để tạo cho nó một điện tích tổng mà không chạm vật mang điện vào nó, ta cần thêm một yếu tố: một đường dẫn để electron đi vào hoặc đi ra.
Đường dẫn đó thường là kết nối với Trái Đất.
Giả sử ta muốn làm một quả cầu dẫn điện mang điện dương bằng một thanh mang điện âm.
Bước 1: Đưa thanh mang điện đến gần
Đưa thanh âm đến gần quả cầu dẫn điện trung hòa mà không chạm vào nó.
Quả cầu bị phân cực. Các electron tự do của nó di chuyển ra xa thanh.
Bước 2: Nối quả cầu với Trái Đất
Trong khi thanh vẫn ở gần, nối quả cầu với Trái Đất.
Thanh âm đẩy một số electron từ quả cầu qua đường dẫn điện xuống Trái Đất.
Trái Đất đóng vai trò như một kho điện tích khổng lồ. Nó có thể nhận hoặc cung cấp một lượng electron tương đối nhỏ mà không làm thay đổi đáng kể điện thế của mình.
Bước 3: Ngắt kết nối với Trái Đất trước
Thứ tự này rất quan trọng.
Ngắt đường nối đất trong khi thanh mang điện vẫn còn ở đó.
Các electron đã rời quả cầu không còn có thể quay trở lại qua đường nối với Trái Đất.
Lúc này quả cầu bị thiếu electron, vì vậy nó có điện tích tổng dương.
Bước 4: Đưa thanh mang điện ra xa
Khi cuối cùng thanh được đưa ra xa, điện tích còn lại phân bố quanh vật dẫn.
Quả cầu vẫn mang điện dương.
Nếu thanh gây cảm ứng mang điện dương, các chiều sẽ đảo ngược. Electron sẽ bị hút từ Trái Đất lên vật dẫn, khiến vật dẫn mang điện âm sau khi đường nối đất được ngắt.
07Thứ tự trong quá trình cảm ứng không phải là một chi tiết nhỏ
Giả sử một thanh âm ở cạnh một quả cầu kim loại được nối đất. Electron đã bị đẩy từ quả cầu xuống Trái Đất.
Điều gì xảy ra nếu bạn đưa thanh ra xa trước khi ngắt nối đất?
Khi thanh biến mất, tác dụng đẩy điện cũng biến mất. Vì quả cầu vẫn còn nối với Trái Đất, electron có thể chảy trở lại cho đến khi quả cầu trở về gần trạng thái trung hòa.
Vì vậy, điện tích cảm ứng mong muốn bị mất.
Đối với quy trình cảm ứng tiêu chuẩn:
- đưa điện tích gây cảm ứng đến gần
- nối với Trái Đất
- ngắt kết nối với Trái Đất
- đưa điện tích gây cảm ứng ra xa
Kết nối nối đất phải được ngắt trước khi bỏ vật gây cảm ứng.
08So sánh ma sát, tiếp xúc và cảm ứng
| Quá trình | Vật dùng để gây nhiễm điện có chạm vào vật được làm nhiễm điện không? | Electron có được truyền đi không? | Sự phân cực có quan trọng không? | Dấu điện tích cuối cùng điển hình |
|---|---|---|---|---|
| Ma sát | Có, thông qua sự tiếp xúc bề mặt lặp đi lặp lại | Có, giữa các vật liệu | Không phải ý chính trong mô hình cơ bản | Hai vật liệu thường trở nên mang điện trái dấu |
| Tiếp xúc | Có | Có, qua tiếp xúc dẫn điện | Có sự phân bố lại khi đạt trạng thái cân bằng | Vật dẫn trung hòa thường nhận cùng dấu với vật dẫn ban đầu mang điện |
| Cảm ứng | Không tiếp xúc với vật gây cảm ứng | Có, nhưng giữa vật dẫn và Trái Đất trong quá trình nối đất | Có, đây là bước khởi đầu của quá trình | Trái dấu với điện tích gây cảm ứng trong quy trình nối đất tiêu chuẩn |
| Chỉ phân cực | Không | Không có sự truyền điện tích tổng vào hoặc ra khỏi vật cô lập | Có | Điện tích tổng vẫn bằng không |
Câu hỏi hữu ích nhất nên đặt ra trong bất kỳ bài toán nhiễm điện nào là:
Electron thực sự có thể đi đâu?
Nếu bạn trả lời được câu hỏi đó, dấu của điện tích cuối cùng thường sẽ suy ra được.
09Ba ngộ nhận nên phát hiện sớm
“Ma sát tạo ra electron”
Không phải vậy. Ma sát giúp các bề mặt tiếp xúc lặp đi lặp lại, cho phép electron truyền đi. Tổng điện tích được bảo toàn.
“Nếu điện tích di chuyển bên trong một vật thì vật đó chắc chắn đã mang điện”
Không nhất thiết. Một vật dẫn trung hòa có thể bị phân cực mà vẫn giữ điện tích tổng bằng không.
Việc chuyển electron từ phía này sang phía kia làm thay đổi sự phân bố điện tích, chứ không làm thay đổi tổng lượng điện tích.
“Điện tích dương di chuyển qua kim loại”
Trong mô hình kim loại rắn thông thường được sử dụng ở đây, các hạt nhân nguyên tử mang điện dương vẫn cố định trong mạng tinh thể. Các electron tự do mới là những hạt di chuyển.
Trong những ngữ cảnh khác, đôi khi việc mô tả dòng điện quy ước dương thuận tiện về mặt toán học, nhưng điều đó không có nghĩa là proton đang di chuyển qua kim loại trong một thí nghiệm nhiễm điện tĩnh điện.
10Câu hỏi và lời giải
Câu hỏi 1
Một dải nhựa trung hòa được chà với một mảnh vải. Sau khi tách ra, dải nhựa có điện tích \(+4.8\ \text{nC}\).
Hãy giải thích điều gì đã xảy ra với các electron của dải nhựa và tính số electron đã được truyền đi.
Lời giải 1
Dải nhựa đã mất \(3.0 \times 10^{10}\) electron sang mảnh vải, khiến nó có điện tích tổng dương.
Điện tích dương có nghĩa là thiếu electron. Số electron được truyền là
\[ \begin{aligned} N &= \frac{|Q|}{e} \\ &= \frac{4.8 \times 10^{-9}}{1.60 \times 10^{-19}} \\ &= 3.0 \times 10^{10} \end{aligned} \]
trong đó \(Q = 4.8 \times 10^{-9}\ \text{C}\) là độ lớn điện tích của dải nhựa và \(e = 1.60 \times 10^{-19}\ \text{C}\) là độ lớn điện tích của một electron.
Vì vậy, dải nhựa đã mất
\[ \boxed{3.0 \times 10^{10}\ \text{electron}} \]
Điện tích dương không được tạo ra bằng cách thêm proton. Nó là kết quả của việc loại bớt electron.
Câu hỏi 2
Một quả cầu kim loại mang điện âm chạm vào một quả cầu kim loại trung hòa giống hệt nó. Cả hai đều được đặt trên các giá cách điện. Các quả cầu được tách ra sau khi đạt trạng thái cân bằng tĩnh điện.
Hãy nêu dấu điện tích của mỗi quả cầu sau khi tách ra và giải thích hướng chuyển động của electron.
Lời giải 2
Cả hai quả cầu đều mang điện âm sau khi tách ra, và electron di chuyển từ quả cầu ban đầu mang điện âm sang quả cầu ban đầu trung hòa.
Quả cầu mang điện âm ban đầu có dư electron. Khi hai quả cầu dẫn điện chạm nhau, các electron tự do này có thể phân bố lại trên vật dẫn kết hợp.
Vì hai quả cầu giống hệt nhau, chúng đạt cùng điện tích cuối cùng khi tổng điện tích được chia đều.
Điểm quan trọng là quả cầu trung hòa không trở nên mang điện vì các hạt dương di chuyển sang nó. Nó trở thành mang điện âm vì nhận thêm electron.
Câu hỏi 3
Một thanh mang điện âm được đưa đến gần một quả cầu kim loại trung hòa cô lập nhưng không chạm vào nó. Một học sinh nói: “Phía gần thanh nhất trở thành dương, vậy nên giờ quả cầu phải có điện tích tổng dương.”
Hãy đánh giá phát biểu của học sinh.
Lời giải 3
Phát biểu này không đúng vì quả cầu bị phân cực nhưng vẫn có điện tích tổng bằng không.
Thanh âm đẩy các electron tự do của quả cầu về phía xa. Điều này để lại sự thiếu hụt electron ở phía gần, khiến phía đó có biểu hiện dương, trong khi phía xa có dư electron.
Tuy nhiên, không có đường dẫn điện nào cho phép electron đi vào hoặc rời khỏi quả cầu cô lập. Tổng số electron của nó không thay đổi.
Do đó,
\[ \boxed{Q_{\text{net}} = 0} \]
mặc dù sự phân bố điện tích của nó không còn đồng đều.
Điểm dễ nhầm là đánh đồng một vùng mang điện dương với một vật mang điện dương.
Câu hỏi 4
Hai quả cầu dẫn điện giống hệt nhau, cô lập, A và B, lần lượt mang điện tích \(+14\ \text{nC}\) và \(-6\ \text{nC}\). Chúng được cho chạm nhau rồi tách ra.
Hãy xác định:
a. điện tích cuối cùng trên mỗi quả cầu
b. độ lớn và hướng truyền electron
Lời giải 4
Mỗi quả cầu cuối cùng có điện tích \(+4\ \text{nC}\), và \(6.25 \times 10^{10}\) electron di chuyển từ quả cầu B sang quả cầu A.
Trước hết, bảo toàn tổng điện tích:
\[ Q_{\text{total}} = +14\ \text{nC} - 6\ \text{nC} = +8\ \text{nC} \]
Vì các quả cầu giống hệt nhau, điện tích được chia đều:
\[ Q_A = Q_B = \frac{+8\ \text{nC}}{2} = \boxed{+4\ \text{nC}} \]
Bây giờ xét quả cầu A. Điện tích của nó thay đổi từ \(+14\ \text{nC}\) thành \(+4\ \text{nC}\). Nó đã trở nên ít dương hơn \(10\ \text{nC}\), vì vậy nó phải đã nhận thêm electron.
Số electron được truyền là
\[ \begin{aligned} N &= \frac{10 \times 10^{-9}}{1.60 \times 10^{-19}} \\ &= 6.25 \times 10^{10} \end{aligned} \]
Do đó,
\[ \boxed{6.25 \times 10^{10}\ \text{electron}} \]
di chuyển từ B sang A.
Một lỗi thường gặp là chỉ nhìn vào điện tích dương cuối cùng rồi kết luận rằng điện tích dương đã di chuyển từ A sang B. Ở cấp độ hạt, electron mới là thứ di chuyển theo hướng ngược lại.
Câu hỏi 5
Một học sinh cố gắng làm một quả cầu kim loại trung hòa nhiễm điện bằng cảm ứng với một thanh mang điện âm.
Học sinh thực hiện các bước sau:
- đưa thanh âm đến gần quả cầu
- nối quả cầu với Trái Đất
- đưa thanh âm ra xa
- ngắt kết nối với Trái Đất
Học sinh kỳ vọng quả cầu vẫn mang điện dương.
Hãy giải thích vì sao quy trình này thất bại và đưa ra trình tự đúng.
Lời giải 5
Quy trình thất bại vì thanh được đưa ra xa trong khi quả cầu vẫn còn nối đất, cho phép electron quay trở lại từ Trái Đất và phần lớn khôi phục trạng thái trung hòa.
Khi thanh âm ban đầu ở gần, nó đẩy các electron trong quả cầu. Khi quả cầu được nối đất, một số electron này có thể chảy xuống Trái Đất.
Tại thời điểm đó, quả cầu có thể bị thiếu electron.
Tuy nhiên, sau đó học sinh đưa thanh âm ra xa trong khi kết nối với Trái Đất vẫn còn. Lực làm electron bị đẩy ra xa đã biến mất, nhưng đường dẫn điện tới kho electron của Trái Đất vẫn còn. Vì vậy, electron có thể chảy trở lại về phía quả cầu.
Trình tự đúng là:
- đưa thanh âm đến gần vật dẫn trung hòa
- nối vật dẫn với Trái Đất
- ngắt kết nối với Trái Đất trong khi thanh vẫn ở gần
- đưa thanh ra xa
Điều này khiến quả cầu bị thiếu electron và do đó có điện tích tổng dương.
Vấn đề ẩn ở đây không chỉ đơn thuần là việc đã có nối đất hay chưa. Thứ tự ngắt nối đất và loại bỏ điện tích gây cảm ứng quyết định điện tích đã truyền có được giữ lại trên vật dẫn hay không.
Câu hỏi 6
Một quả cầu dẫn điện nhỏ trung hòa được treo bằng một sợi chỉ cách điện. Một thanh mang điện âm được đưa đến gần và quả cầu chuyển động về phía thanh.
Một học sinh kết luận rằng electron chắc chắn đã rời khỏi quả cầu, khiến nó mang điện dương.
Kết luận đó có hợp lý không? Hãy giải thích cần thêm quan sát nào để phân biệt sự phân cực với sự nhiễm điện vĩnh viễn.
Lời giải 6
Không. Chỉ riêng lực hút không cho thấy quả cầu đã nhận một điện tích tổng dương.
Một quả cầu dẫn điện trung hòa có thể bị thanh âm hút do sự phân cực. Thanh đẩy các electron tự do về phía xa của quả cầu, khiến phía gần trở nên tương đối dương.
Vì điện tích trái dấu nằm gần thanh hơn điện tích cùng dấu ở phía xa, lực hút có thể mạnh hơn lực đẩy, tạo ra một lực tổng hướng về phía thanh.
Để kiểm tra xem quả cầu có bị nhiễm điện vĩnh viễn hay không, cần đưa thanh bên ngoài ra xa và kiểm tra độc lập điện tích tổng của quả cầu, chẳng hạn bằng cách quan sát tương tác của nó với một điện tích đã biết trong những điều kiện có tính đến sự phân cực cảm ứng.
Nếu quả cầu trở lại trạng thái trung hòa không phân cực sau khi thanh được đưa ra xa, lực hút ban đầu không đòi hỏi phải có sự truyền electron tổng.
Điểm dễ mắc bẫy là cho rằng lực hút chứng minh hai vật có điện tích tổng trái dấu. Lực hút có thể xuất phát từ điện tích tổng trái dấu hoặc từ sự phân cực cảm ứng.
11Ý tưởng này giúp bạn làm gì tiếp theo
Ma sát, tiếp xúc và cảm ứng dễ phân biệt nhất khi theo dõi hai điều: sự truyền electron và sự phân cực.
Cách suy luận tương tự sẽ hữu ích khi bạn chuyển sang điện trường và điện thế. Điện trường bên ngoài là thứ đẩy các electron tự do di chuyển trong vật dẫn, còn điện thế giúp giải thích vì sao điện tích phân bố lại cho đến khi vật dẫn đạt trạng thái cân bằng tĩnh điện.
Khi bạn ngừng xem “dương” và “âm” chỉ như những nhãn gọi và bắt đầu theo dõi electron có thể di chuyển đến đâu, tĩnh điện học sẽ trở nên bớt khó hiểu hơn rất nhiều.