Bài 19: Thế năng điện

1. Kiến thức trọng tâm

Khi một điện tích $q$ di chuyển trong điện trường, lực điện thực hiện công. Vì công của lực điện không phụ thuộc vào hình dạng đường đi mà chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm đầu và điểm cuối, nên điện trường là một trường thế. Do đó, điện tích đặt trong điện trường có thế năng điện.

Thế năng điện của một điện tích $q$ tại một điểm trong điện trường được xác định bằng công của lực điện khi di chuyển điện tích đó từ điểm đang xét ra xa vô cùng, nơi người ta quy ước thế năng bằng không:

$$W_M = A_{M\infty} = q V_M$$

Trong đó $V_M$ là điện thế tại điểm $M$. Đơn vị của thế năng điện là jun ($\text{J}$).

Công của lực điện khi điện tích $q$ di chuyển từ điểm $M$ đến điểm $N$ trong điện trường bằng độ giảm thế năng điện:

$$A_{MN} = W_M - W_N = q(V_M - V_N) = qU_{MN}$$

Nếu A_{MN} > 0, lực điện thực hiện công dương và thế năng điện giảm. Nếu A_{MN} < 0, lực điện thực hiện công âm và thế năng điện tăng.

Điện tích dương có xu hướng di chuyển từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, làm thế năng điện giảm. Ngược lại, điện tích âm có xu hướng di chuyển từ nơi có điện thế thấp đến nơi có điện thế cao.

2. Ví dụ minh họa

Một điện tích $q = 2 \cdot 10^{-6}, \text{C}$ di chuyển từ điểm $M$ có điện thế $V_M = 300, \text{V}$ đến điểm $N$ có điện thế $V_N = 100, \text{V}$. Tính công của lực điện và độ biến thiên thế năng điện.

Lời giải: Hiệu điện thế giữa $M$ và $N$ là $U_{MN} = 300 - 100 = 200, \text{V}$. Công của lực điện:

$$A_{MN} = qU_{MN} = 2 \cdot 10^{-6} \cdot 200 = 4 \cdot 10^{-4}, \text{J}$$

Độ biến thiên thế năng điện là $\Delta W = -A_{MN} = -4 \cdot 10^{-4}, \text{J}$.

3. Ghi nhớ

• Điện trường là trường thế; điện tích trong điện trường có thế năng $W = qV$.
• Công của lực điện $A_{MN} = W_M - W_N = qU_{MN}$.
• Điện tích dương tự di chuyển về nơi điện thế thấp; điện tích âm tự di chuyển về nơi điện thế cao.
• Khi lực điện sinh công dương, thế năng điện giảm và ngược lại.