Vật lý - Chương 2: Vật dẫn

8/24/20151 §1. Điều kiện cân bằng tĩnh điện. Tính chất của vật dẫn mang điện §2. Hiện tượng điện hưởng §3. Điện dung của vật dẫn cô lập §4. Hệ vật dẫn tích điện cân bằng – Tụ điện §5. Phương pháp ảnh điện §6. Năng lượng điện trườngChương 2: VẬT DẪN8/24/20152§1. ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG TĨNH ĐIỆN.TÍNH CHẤT CỦA VẬT DẪN MANG ĐIỆN1.1. Điều kiện cân bằng của vật dẫn kim loạiĐối với vật dẫn mang điện, tại mọi điểm bên trong lòng vật dẫn, điện trường bằng 0, còn trên bề mặt vật dẫn, điện trường luôn vuông góc với bề mặt vật dẫn.ĐIỀU KIỆNGIẢI THÍCHVéctơ cường độ điện trường trong lòng vật dẫn tại mọi điểm phải bằng 0.và Trên mặt vật dẫn, thành phần tiếp tuyến của véctơ cường độ điện trường bằng 0 và điện trường tổng hợp bằng thành phần pháp tuyến.8/24/20153§1 - 1.2. Tính chất của vật dẫn mang điện- Vật dẫn cân bằng điện tích là một khối đẳng thế. Bề mặt vật dẫn lúc đó là một mặt đẳng thế.- Điện tích Q mà ta tích cho vật dẫn được phân bố hoàn toàn trên bề mặt vật dẫn, bên trong lòng vật dẫn điện tích bằng 0. Đối với vật dẫn rỗng, khi đã cân bằng tĩnh điện, điện trường trong phần rỗng và phía bên trong vỏ kim loại của nó đều bằng 0.- Phân bố điện tích trên bề mặt vật dẫn phụ thuộc vào hình dạng bề mặt vật dẫn. Điện tích sẽ tập trung vào phần mũi nhọn và ít tập trung ở phần lõm của vật.H2.1. Điện tích tập trung ở phần mũi c nhiều hơn ở b và ở a điện tích tập trung ít nhất.++8/24/20154§2. HIỆN TƯỢNG ĐIỆN HƯỞNG2.1. Hiện tượng điện hưởng. Định lý các phần tử tương ứngHiện tượng các điện tích cảm ứng xuất hiện trên vật dẫn (lúc đầu không mang điện) khi đặt nó trong điện trường ngoài gọi là hiện tượng điện hưởng.H2.2.Hiện tượng điện hưởng xảy ra trên vật dẫn BC khi đặt nó vào trong điện trường của quả cầu tích điện dương A.- Định lý các phần tử tương ứng:“Điện tích cảm ứng trên các phần tử tương ứng có độ lớn bằng nhau và trái dấu”.Δq= Δq’8/24/20155§2 - 2.2. Điện hưởng một phần và điện hưởng toàn phầnTrong H2.2 chỉ có một số đường cảm ứng điện từ A qua được BC, còn số lớn đi ra xa vô cực. Nếu gọi q’ là điện tích cảm ứng xuất hiện trên vật BC và q là điện tích trên quả cầu A, ta có:q’ 0 và Cik = Cki(i, k = 1, 2, 3).8/24/20159§4 - 4.2. Tụ điệnTụ điện là hệ hai vật dẫn A, B sao cho vật dẫn B bao bọc hoàn toàn vật dẫn A (A, B gọi là 2 cốt hay 2 bản mặt của tụ điện). Gọi q1 là điện tích trên cốt A của tụ và q2 là điện tích trên cốt B của tụ, ta có các tính chất sau:2 cốt của tụ điện ở trạng thái điện hưởng toàn phần, điện tích xuất hiện trên 2 mặt có giá trị bằng nhau và trái dấu.Tính chất 1: q1 + q2 = 0Trong đó, C là điện dung của tụ điện; V1, V2 là điện thế trên 2 cốt của tụ.Tính chất 2: q1 = C(V1 – V2) và q2 = –C(V1 – V2) 8/24/201510§4 - 4.2. Tụ điệnTính chất 3: Nếu q1 > 0, giá trị q = q1 = –q2 gọi là điện tích của tụ điện, như vậy, q = CU (với U = V1 – V2 là hiệu điện thế giữa 2 bản tụ).§4 - 4.3. Điện dung của một số loại tụ điệna. Tụ điện phẳngb. Tụ điện cầu( khi d=R1 – R2 rất nhỏ so với R1, và là diện tích của các mặt cầu).8/24/201511§4 - 4.3. Điện dung của một số loại tụ điệnc. Tụ điện trụTrong đó, l là chiều cao của trụ và khoảng cách d giữa 2 mặt trụ rất nhỏ so với bán kính của trụ.Như vậy, điện dung của tụ điện bất kỳ nói chung là tỷ lệ thuận với diện tích S của 2 bản tụ và hằng số điện môi ε của chất lấp đầy không gian giữa chúng và tỷ lệ nghịch với khoảng cách d giữa hai bản mặt.8/24/201512§4 - 4.4. Một số loại tụ điện dùng trong kĩ thuật+ Tụ điện giấy (hoặc tụ điện mica): Gồm 2 hệ thống lá kim loại được nệm tấm parafin (hoặc mica) đặt xen kẽ nhau liên tiếp. Khoảng cách giữa các bản tụ d của tụ giấy nhỏ, nên tụ có thể đạt điện dung tới 10-2μF với điện thế đánh thủng cỡ vài trăm Vôn.+ Tụ điện không khí có điện dung thay đổi được: Gồm 2 hệ thống lá kim loại đặt xen kẽ nhau, một hệ thống được cố định, hệ thống còn lại có thể quay quanh một trục cố định nhằm thay đổi diện tích S giữa 2 bản tụ điện. Tụ điện loại này đặt trong không khí và dùng nhiều trong thu thanh. (tụ xoay-núm bắt sóng radio)+ Tụ điện điện phân (còn gọi là tụ hóa): Gồm một bản bằng nhôm có phủ lớp nhôm ôxít rất mỏng được tạo thành nhờ điện phân, bản còn lại của tụ là dung dịch chất điện phân và lớp vỏ đựng dung dịch. Nhờ lớp nhôm ôxít rất mỏng nên tụ hóa có thể đạt điện dung rất lớn cỡ 10-2F.8/24/201513§5. PHƯƠNG PHÁP ẢNH ĐIỆNCơ sở lý thuyết: “Nếu ta thay một mặt đẳng thế nào đó trong điện trường bằng một vật dẫn có cùng hình dạng và cùng điện thế với mặt đẳng thế đang xét, thì điện trường ở ngoài vật dẫn ấy không thay đổi”.H2.4.Phương pháp ảnh điện- Lực tương tác giữa điện tích điểm và mặt phẳng kim loại rộng vô hạn (H2.4):Ta thấy mặt phẳng được đặt trùng với mặt đẳng thế nằm chính giữa 2 điện tích điểm q và q’ = –q, nên lực tương tác giữa điện tích điểm q và mặt phẳng kim loại đúng bằng lực tương tác giữa 2 điện tích điểm q và q’:8/24/201514- Điện dung của dây dẫn hình trụ bán kính R, mang điện dương, đặt song song và cách mặt đất đoạn là h (H2.5):§5.Phương pháp ảnh điệnH2.5.Điện dung theo phương pháp ảnh điệnTương tự như trên, hệ dây dẫn mặt đất có tính chất tương tự như hệ 2 dây dẫn hình trụ song song tích điện trái dấu nhận mặt đất làm mặt đối xứng(H2.5). Cường độ điện trường tại một điểm cách dây dẫn mang điện dương một đoạn x được tính bởi:8/24/201515§6. NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TRƯỜNG6.1. Năng lượng tương tác của một hệ điện tích điểmNăng lượng tương tác của 2 điện tích q1 và q2:Thay và là điện thế, ta có:Khi có hệ n điện tích q1, q2, qn, ta có năng lượng tương tác tĩnh điện của hệ là:8/24/201516§6 - 6.2. Năng lượng điện của một vật dẫn tích điện cô lậpTa chia vật thành những phần tử nhỏ có điện tích dq, năng lượng điện tích của vật dẫn là:(Do vật dẫn tích điện cân bằng nên V=const, và tích phân dq trên toàn vật chính là điện tích q của vật).Từ công thức q=CV, nên năng lượng điện của vật dẫn tích điện cô lập được tính theo công thức:8/24/201517§6 - 6.3. Năng lượng tụ điệnTụ điện gồm 2 vật dẫn tích điện cân bằng với:+ Điện tích q=q1= –q2;+ Hiệu điện thế giữa 2 bản tụ U=V1 – V2Áp dụng công thức năng lượng của hệ điện tích điểm cho tụ điện, năng lượng của tụ được tính theo công thức:Vậy, năng lượng của tụ điện là:8/24/201518§6 - 6.4. Năng lượng điện trườngThay điện dung của tụ vào biểu thức năng lượng của tụ, ta được:(với Sd=V là thể tích không gian giữa các bản mặt, tức là không gian tồn tại điện trường trong tụ).Năng lượng W của tụ là năng lượng điện trường chứa trong miền thể tích V của tụ. Như vậy, mật độ năng lượng điện trường của tụ điện là:Kết quả này cũng đúng cho điện trường bất kỳ.8/24/201519 §1. Sự phân cực của chất điện môi §2. Véctơ phân cực điện môi §3. Điện trường tổng hợp trong điện môi §4. Đường sức điện trường và đường cảm ứng điện qua ranh giới phân cách 2 điện môi §5. Điện môi đặc biệtChương 3: ĐIỆN MÔI a) Khái niệm chất điện môi Chất điện môi là những chất không có các hạt mang điện tự do. b) Sự phân cực trong chất điện môiThanh điện môi khi đặt trong điện trường mạnh thì hai đầu thanh điện môi xuất hiện điện tích trái dấu nhau (H3.1). Điện tích xuất hiện ở đâu thì chỉ định xứ ở chỗ đó chứ không dịch chuyển tự do được, chúng được gọi là những điện tích liên kết.§1. SỰ PHÂN CỰC CỦA CHẤT ĐIỆN MÔI1.1. Hiện tượng phân cực điện môiH3.1.Hiện tượng phân cực điện môi8/24/201521§1 - 1.2. Phân tử phân cực và phân tử không phân cựcTổng điện tích dương và âm (electron) trong phân tử chất điện môi là bằng nhau nhưng luôn dao động quanh vị trí cân bằng. Ta gọi trọng tâm của các điện tích âm của phân tử là Ge– và các điện tích dương là Ge+.Nếu vị trí của Ge– và Ge+ trùng nhau thì gọi là phân tử không phân cực.Ngược lại, nếu vị trí của Ge– và Ge+ lệch nhau thì gọi là phân tử phân cực.Trong phân tử phân cực sẽ xuất hiện momen điện Pe≠0, còn trong phân tử không phân cực Pe=0.* Trường hợp chất điện môi có các phân tử tự phân cực: Mỗi một phân tử phân cực làm thành một lưỡng cực điện. +++___H3.3H3.2* Khi chưa có điện trường thì các lưỡng cực điện sắp xếp hoàn toàn hỗn loạn, các điện tích trái dấu trung hoà nhau, vì vậy trong chất điện môi không có điện (H3.2)* Khi có điện trường thì các lưỡng cực điện chịu tác dụng của các mô men lưỡng cực, chúng bị định hướng theo một trật tự (H3.3)§1 - 1.3. Giải thích sự phân cực trong chất điện môi* Trường hợp chất điện môi có các phân tử không tự phân cực: + Khi chưa có điện trường thì các phân tử trong chất điện môi chưa phải là một lưỡng cực điện, chất điện môi trung hoà về điện. + Khi có điện trường thì các phân tử điện môi đều trở thành lưỡng cực điện sắp xếp theo một trật tự.§1 - 1.3. Giải thích sự phân cực trong chất điện môiVéctơ phân cực điện môi là tổng véc tơ mômen điện của các phần tử có trong một đơn vị thể tích của khối điện môi.   §2. VÉCTƠ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI2.1. Định nghĩaa. Đối với điện môi gồm các phân tử không phân cực(3.1)(3.2)  §2 - 2.1. Định nghĩa(3.3)§2 - 2.1. Định nghĩab. Đối với điện môi gồm các phân tử phân cựcTrong điện trường yếu, công thức (3.3) vẫn đúng với điện môi phân cực, nhưng χe được tính theo công thức:c. Đối với điện môi tinh thểĐối với điện môi tinh thể biểu thức (3.3) vẫn đúng. +-SLH3.4§2 - 2.1. Liên hệ giữa véc tơ phân cực điện môi và mật độ mặt điện tích liên kết Mật độ điện tích liên kết σ trên mặt giới hạn 2 lớp điện môi có giá trị bằng độ lớn của thành phần pháp tuyến véctơ phân cực điện môi đối với mặt giới hạn phân chia đó. Trong đó:vàDo đó:⟹ +++++-----+++++----- H3.5Khèi ®iÖn m«i ®Æt trong ®iÖn tr­êng ngoµi lËp tøc bÞ ph©n cùc lµm xuÊt hiÖn c¸c ®iÖn tÝch liªn kÕt tr¸i dÊu trªn bÒ mÆt giíi h¹n cã mËt ®é lµ + vµ - (H3.5)®iÖn tÝch liªn kÕt nµy sinh ra ®iÖn tr­êng phô øng dông cña ®Þnh lý O – G: §2 - 2.1.Điện trường tổng hợp trong chất điện môiCường độ điện trường trong chất điện môi giảm đi  lần so với cường độ điện trường trong chân không. §2 - 2.1.Điện trường tổng hợp trong chất điện môi§4. ĐƯỜNG SỨC ĐIỆN TRƯỜNG VÀ ĐƯỜNG CẢM ỨNG ĐIỆN QUA RANH GIỚI PHÂN CÁCH 2 ĐIỆN MÔIThành phần tiếp tuyến của véctơ cường độ điện trường tổng hợp biến thiên liên tục khi đi qua mặt phân cách 2 lớp điện môi (H3.6).E1t = E2tH3.6.Bức tranh đường sức E qua ranh giới 2 lớp điện môiThành phần pháp tuyến của véctơ cường độ điện trường tổng hợp không biến thiên liên tục khi đi qua mặt phân cách 2 lớp điện môi (H3.6). H3.7.Bức tranh cảm ứng D qua ranh giới 2 lớp điện môi§4.Đường sức điện trường và đường cảm ứng điện qua ranh giới phân cách 2 điện môiThành phần tiếp tuyến của véctơ cảm ứng điện trường tổng hợp không biến thiên liên tục khi đi qua mặt phân cách 2 lớp điện môi. Còn thành phần pháp tuyến của véctơ cảm ứng điện tổng hợp biến thiên liên tục khi đi qua mặt phân cách 2 lớp điện môi (H3.7). §4.Đường sức điện trường và đường cảm ứng điện qua ranh giới phân cách 2 điện môi Đường sức cảm ứng điện liên tục khi đi qua trong điện môi bất kì. Do đó, có thể áp dụng định lý Ôxtrôgratxki-Gaox để giải bài toán điện trường trong điện môi.§5. ĐIỆN MÔI ĐẶC BIỆT5.1. Điện môi secnhetĐiện môi secmet là loại điện môi đặc biệt, được phát hiện năm 1930 – 1934 có đặc điểm:- Đường biểu diễn của ε=f(T) có một cực đại rất lớn ở một khoảng nhiệt độ xác định. H là đường biểu diễn của Titanat Bari. Trong một khoảng nhiệt độ xác định, ε có giá trị rất lớn khoảng gần 10000. Nếu tiếp tục tăng hoặc giảm nhiệt độ, ε lại giảm xuống.H3.8.Sự phụ thuộc của ε vào nhiệt độ §5 - 5.1.Điện môi secnhetH3.10.Chu trình điện trễH3.9.Sự phụ thuộc của ε và Pe vào E- Khi tăng E tới giá trị Eb, sau đó giảm E tới giá trị E=0 độ phân cực Pe không về 0 mà về giá trị Ped nào đó. Chỉ khi giảm tới giá trị E=-Ek thì Pe=0. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng phân cực dư (hay hiện tượng điện trễ) (H3.10).§5 - 5.1.Hiệu ứng áp điệna. Hiệu ứng áp điện thuậnNén hoặc giãn tinh thể điện môi, trên ranh giới của nó xuất hiện các điện tích trái dấu. Đó là hiệu ứng áp điện thuận, xảy ra đối với tinh thể thạch anh, tuamalin, secmet,Nếu đổi biến dạng từ nén sang dãn thì điện tích xuất hiện ngược lại (H3.11).b. Hiệu ứng áp điện nghịchKhi đặt vào hai mặt đối diện của tinh thể điện môi một hiệu điện thế biến đổi, tinh thể cũng co giãn theo tần số biến đổi của hiệu điện thế. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng áp điện nghịch. Trong kỹ thuật dùng hiệu ứng áp điện thuận để biến đổi dao động âm thanh thành dao động điện và hiệu ứng áp điện nghịch được áp dụng cho trường hợp ngược lại (H3.12).H3.11.Áp điện thuậnH3.11.Áp điện nghịch