Công thức tính thế năng của một điện tích trong điện trường là tài liệu vô cùng bổ ích giúp quý độc giả tiết kiệm thời gian và công sức làm việc. Sau đây là nội dung chi tiết mời các bạn cùng tham khảo.
Mục lục bài viết
1. Thế năng là gì?
Thế năng của một điện tích q trong một điện trường thể hiện khả năng của nó trong việc tạo ra công khi được đặt ở một vị trí bất kỳ trong điện trường.
2. Công thức tính thế năng của một điện tích trong điện trường:
Trong tình huống khi điện tích q đặt tại điểm M trong một điện trường do nhiều điện tích khác gây ra, thế năng có thể được tính bằng công của lực điện khi chúng ta di chuyển điện tích q từ điểm M ra vô cực. Điều này xảy ra vì ở vô cực, nghĩa là ở khoảng cách xa rời khỏi tác động của các điện tích gây ra điện trường, điện trường và lực điện đều bằng 0. Do đó:
WM = AM∞
Bởi vì lực điện luôn tỉ lệ thuận với điện tích thử nghiệm q, công và thế năng của điện tích tại điểm M cũng tỉ lệ thuận với q:
WM = AM∞ = VMq
Trong đó:
WM: Thế năng của điện tích q tại điểm M (Joule)
AM∞: Công của lực điện trường trong quá trình di chuyển điện tích q từ điểm M ra vô cùng (Joule)
VM: Điện thế tại điểm M (Volt)
q: Điện tích (Coulomb)
3. Kiến thức mở rộng:
Khi một điện tích q di chuyển từ điểm M đến điểm N trong một điện trường, công mà lực điện tác động lên điện tích này tạo ra sẽ bằng sự thay đổi về năng lượng tiềm năng của điện tích q trong điện trường:
Công AMN = Thay đổi năng lượng tiềm năng (WM – WN)
Trong đó:
- Công AMN là công mà điện tích q thực hiện khi di chuyển từ điểm M đến điểm N trong điện trường.
- WM là năng lượng tiềm năng của điện tích q tại điểm M (đơn vị: joule).
- WN là năng lượng tiềm năng của điện tích q tại điểm N (đơn vị: joule)
Tóm tắt lý thuyết công của lực điện
Công của lực điện
Lực điện tác dụng lên điện tích trong điện trường đều
Đối với trường hợp này, đặc điểm của lực điện tác dụng lên điện tích sẽ có dạng dưới đây:
Công của lực điện trường
Mô tả: Đặt điện tích dương q trong điện trường đều, nó sẽ chịu tác dụng của lực điện F:
Độ lớn: F = q.E
Phương: Song song với các đường sức điện
Chiều: Từ dương sang âm
Kết luận: Lực F là lực không bị biến đổi
Công của lực điện trong điện trường đều
Trường hợp này được mô tả qua hình ảnh dưới đây:
Điện trường đều
Khi di chuyển điện tích trong điện trường đều, công của lực điện sẽ đi từ M đến N. Thể hiện qua công thức A = q.E.d
Trong đó:
d = MH− là độ dài đại số
M là hình chiếu của điểm đầu
H là hình chiếu của điểm cuối
Chiều của điện trường sẽ cùng chiều với chiều dương của MH-. Do đó, công của lực điện không bị ảnh hưởng bởi hình dạng đường đi. Nó phụ thuộc trực tiếp vào vị trí của điểm đầu và điểm cuối.
Thế năng của một điện tích trong điện trường
Thế năng của một điện tích trong điện trường đặc trưng cho khả năng sinh công của điện trường khi đặt điện tích lên chính điểm đó.
Điện trường đều: Chọn mốc thế năng là chiều âm thì thế năng WM = A = qEd. Trong đó d là khoảng cách từ M đến thanh âm.
Công dịch chuyển trong thế năng
Với trường hợp điện trường do nhiều điện tích gây ra, bạn cần chọn mốc thế năng ở vô cùng:
Sự phụ thuộc của thế năng WM vào điện tích q
Ta có: WM = AM = VM.q
Đây là thế năng của một điện tích điểm q đặt tại điểm M trong điện trường.
Trong đó: VM là hệ số tỉ lệ không phụ thuộc vào q mà chỉ phụ thuộc vào vị trí đặt điểm M trong điện trường.
Công của lực điện và độ giảm thế năng của điện tích trong điện trường
Khi một điện tích q di chuyển từ điểm M đến điểm N trong một điện trường. Công lực điện trường tác dụng lên điện tích sẽ bằng độ giảm thế năng của điện tích q trong điện trường.
Ta có công thức sau: AMN = WM – WN
Kỹ năng giải bài tập cần thiết
Bài tập cần áp dụng công thức tính công: A = q.E.d
Việc xác định d cần phải được thực hiện chính xác
Nếu vật chuyển động cùng chiều vectơ cường độ điện trường thì d > 0.
Nếu vật chuyển động ngược chiều vectơ cường độ điện trường thì d < 0.
4. Bài tập minh họa:
Câu 1: Công thức xác định công của lực điện trường làm dịch chuyển điện tích q trong điện trường đều E là A = qEd. d ở đây có nghĩa là gì?
A. khoảng cách giữa điểm đầu và điểm cuối.
B. khoảng cách giữa hình chiếu điểm đầu và hình chiếu điểm cuối lên một đường sức.
C. độ dài đại số của đoạn từ hình chiếu điểm đầu đến hình chiếu điểm cuối lên một đường sức, tính theo chiều đường sức điện.
D. độ dài đại số của đoạn từ hình chiếu điểm đầu đến hình chiếu điểm cuối lên một đường sức.
Đáp án: C
Câu 2: Một điện tích q chuyển động trong điện trường theo một đường cong khép kín. Gọi A là công của lực điện trong chuyển động. Kết luận nào sau đây đúng về A?
A. A > 0 nếu q > 0
B. A > 0 nếu q < 0
C. A ≠ 0 nếu điện trường không đổi
D. A = 0
Đáp án: D. Giải thích: q nằm trong một đường cong khép kín thì điểm đầu và điểm cuối trùng nhau ⇒ A = 0.
Câu 3: Công của lực điện tác dụng lên một điện tích điểm q khi nó di chuyển từ M đến N trong điện trường sẽ?
A. tỉ lệ thuận với chiều dài đường đi MN.
B. tỉ lệ thuận với độ lớn của điện tích q.
C. tỉ lệ thuận với thời gian chuyển động
D. tỉ lệ nghịch với chiều dài đường đi.
Đáp án: B
Câu 4: Công của lực điện tác dụng lên một điện tích điểm q khi di chuyển từ điểm M đến điểm N trong một điện trường, thì không phụ thuộc vào
A. vị trí của các điểm M, N.
B. hình dạng của đường đi.
C. độ lớn của điện tích q.
D. độ lớn của cường độ điện trường tại các điểm trên đường đi.
Đáp án: B
Bài tập vận dụng
Câu 5: Một điện tích điểm q di chuyển trong điện trường đều E có quỹ đạo là một đường cong khép kín. Gọi chiều dài quỹ đạo là s thì công lực điện trường là?
A. A = 2qEs
B. A = 0
C. A = qEs
D. A = qE/s
Đáp án: B
Câu 6: Khi điện tích dịch chuyển dọc theo một đường sức trong một điện trường đều. Khi quãng đường dịch chuyển tăng 2 lần thì công của lực điện trường sẽ?
A. tăng 4 lần.
B. tăng 2 lần.
C. không đổi.
D. giảm 2 lần
Đáp án: B
Bài tập tính toán
Câu 7: Công của lực điện trường dịch chuyển một điện tích -2μC ngược chiều một đường sức trong một điện trường đều 1000 V/m trên quãng đường dài 1m. Xác định công lực điện trong trường hợp trên?
A. 2000 J.
B. – 2000 J.
C. 2 mJ.
D. – 2 mJ.
Đáp án: C. Giải thích: Áp dụng công thức ta có: A = qEd = -2.10-6.1000.(-1) = 2.10-3J = 2 mJ.
Câu 8: Một electron di chuyển được một đoạn đường 1cm, dọc theo đường sức. Lực điện trong một điện trường đều có cường độ điện trường là 1000 V/m. Xác định công của lực điện?
A. -1,6.1010-18 J
B. 1,6.10-16 J
C. 1,6.1010-18 J
D. -1,6.10-16 J
Đáp án: C. Giải thích: A = qEd = (-1,6.10-19).1000.(-0,01) = 1,6.10-18 J
Câu 9: Trong một điện trường đều bằng 60000V/m. Điện tích q0 = 4.10-9C trên đoạn thẳng dài 5 cm. Biết góc giữa phương dịch chuyển và đường sức điện trường là α = 60 độ. Xác định công của điện trường trong trường hợp trên?
A. 10-6 J
B. 6.106 J
C. 6.10-6 J
D. -6.10-6 J
Đáp án: C. Giải thích: A = qEd = qEs.cosα = 6.10-6 (J)
Bài tập 10: Tính thế năng của một electron tại điểm H trong điện trường của một điện tích điểm. Biết điện thế tại điểm H là 3V.
Hướng dẫn giải:
+Áp dụng công thức 
Bài tập 12: Thế năng của một điện tích q = -10-19 tại điểm M trong điện trường của một điện tích điểm là 2.10-19(J) . Điện thế tại điểm M là
Hướng dẫn giải:
+ Áp dụng công thức 
5. Một số lưu ý khi giải bài tập về Công thức tính thế năng của một điện tích trong điện trường:
Khi giải bài tập về công thức tính thế năng của một điện tích trong điện trường, có một số lưu ý quan trọng sau đây:
Biết công thức cơ bản: Hiểu rõ công thức cơ bản cho năng lượng tiềm năng điện trường, đó là công thức tính thế năng U của một điện tích q trong một điện trường E: U = q * V. Trong đó, U là năng lượng tiềm năng (joule), q là điện tích (coulomb), và V là thế (điện) tại vị trí điện tích đó (volt).
Biết cách tính thế tại các vị trí khác nhau: Hiểu cách tính thế tại các vị trí trong không gian, bao gồm điểm, trục, hoặc bề mặt. Điều này đòi hỏi sử dụng các công thức phù hợp, chẳng hạn như V = k * q / r, với k là hằng số điện, q là điện tích, và r là khoảng cách từ điểm đo đến điểm tích điện.
Chú ý đơn vị: Đảm bảo rằng bạn sử dụng các đơn vị đo đúng khi tính toán. Điện tích được đo bằng coulomb, thế được đo bằng volt, và năng lượng tiềm năng được đo bằng joule.
Biết cách sử dụng dấu: Quan tâm đến dấu của điện tích và thế, bởi vì chúng biểu thị hướng của lực điện. Hai điện tích cùng dấu đẩy nhau ra xa, trong khi hai điện tích trái dấu thu hút nhau.
Tìm hiểu về lực điện: Nắm vững quy tắc về lực điện, bao gồm định luật Coulomb và khả năng sử dụng chúng để tính toán lực tác động giữa các điện tích.
Áp dụng công thức vào bài toán cụ thể: Đọc và hiểu rõ bài toán, sau đó áp dụng công thức thích hợp vào tình huống cụ thể. Biết cách áp dụng công thức để tính năng lượng tiềm năng hoặc công của một điện tích trong điện trường.
Kiểm tra kết quả: Luôn kiểm tra kết quả tính toán của bạn để đảm bảo rằng chúng hợp lý về cả mặt số học và vật lý.
Làm nhiều bài tập thực hành: Thực hành làm nhiều bài tập về chủ đề này để cải thiện kỹ năng tính toán và hiểu sâu hơn về các khái niệm liên quan đến điện trường và thế năng điện.
