Bài giảng vật lý đại cương 2 chuyên đề vật dẫn

Th.S Đỗ Quốc Huy BÀI GIẢNG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 2 Chuyên đề: VẬT DẪN (Để download tài liệu này, hãy đăng nhập  vào diễn đàn của trang web champhay.com) MỤC TIÊU Sau khi học xong chương này, SV phải : – Nêu  được  các  tính  chất  của  vật  dẫn  cân  bằng  tĩnh  điện;  hiện  tượng  điện  hưởng  và ứng dụng của hiện tượng điện hưởng – Tính được điện dung của vật dẫn cơ lập  và điện dung của các loại tụ điện – Tính được năng lượng điện trường NỘI DUNG I – Vật dẫn cân bằng tĩnh điện II – Hiện tượng điện hưởng III – Điện dung của vật dẫn cô lập IV – Tụ điện, điện dung của tụ điện V – Năng lượng điện trường I – VẬT DẪN CÂN BẰNG TĨNH ĐIỆN: 1 – Khái niệm về vật dẫn, vật dẫn cân bằng tĩnh  điện: Vật  dẫn  là  vật  có  các  hạt  mang  điện  tự  do.  Các  hạt  này  có  thể  chuyển  động  khắp  mọi  điểm  trong  vật  dẫn Trong phạm vi hẹp, vật dẫn là các vật kim loại Khi  tích  điện  cho  vật  dẫn  hoặc  đặt  vật  dẫn  trong  điện trường tĩnh,  các  điện tích sẽ dịch chuyển trong  vật dẫn và nhanh chóng đạt đến trạng thái  ổn định,  khơng  chuyển  động  có  hướng   –  ta  nói  vật  dẫn  đang ở trạng thái cân bằng tĩnh điện  I – VẬT DẪN CÂN BẰNG TĨNH ĐIỆN: 2 – Tính chất của vật dẫn cân bằng tĩnh điện: E = a) Trong lịng vật dẫn khơng có  E điện trường (Etrong = 0).  b)  Toàn  vật  dẫn  là  một  khối  đẳng  th   ặt  ngoài  của  vật  dẫn,  vectơ  c) ếM cường  độ  điện  trường  ln  vng  góc với bề mặt vật dẫn  d)  Nếu  vật  dẫn  tích  điện  thì  điện  tích chỉ phân bố ở mặt ngồi của vật  dẫn và tập trung tại các mũi nhọn Hệ  quả:  vật  dẫn  rỗng  ở  trạng  thái  cân  bằng  tĩnh  điện  thì  ở  phần  rỗng  và  thành  trong  của  vật  khơng  có  điện  trường  và  3 – Hiệu ứng mũi nhọn: Sự  phân  bố  điện  tích  trên  mặt  vật  dẫn  phụ  thuộc  vào  hình  dạng  của bề mặt vật dẫn. Những vật dẫn có dạng  mặt cầu, mặt trụ  dài vơ hạn, mặt phẳng rộng vơ hạn thì điện tích phân bố đều.  Những  vật  dẫn  có  hình  dạng  bất  kì  thì  điện  tích  tập  trung  nhiều tại các chỗ lồi ra  Tại các mũi nhọn, mật độ điện  tích  rất  lớn,  tạo  nên  điện  trường  rất  mạnh.  Điện  trường  này  làm  một  số  ion  và  electron  có  sẵn  trong  khí  quyển  chuyển  động,  va  chạm  với  các  phân  tử  khí,  gây  ra  hiên  tượng  ion  hóa,  sinh  ra  rất  nhiều  hạt  mang  điện.  Các  hạt  mang  điện  trái  dấu  với  điện  tích  của  mũi  nhọn  sẽ  bị  mũi  nhọn  hút  vào,  và  do  đó  điện  tích  của  mũi  nhọn  giảm  dần.  Các hạt mang điện trái dấu với điện tích của mũi nhọn sẽ bị  đẩy  ra  xa  mũi  nhọn  và  chúng  kéo  theo  các  phân  tử  khí  chuyển  động,  tạo  thành  luồng  gió  điện  Hiện  tượng  mũi  nhọn bị mất dần điện tích và tạo thành gió điện được gọi là  II – HIỆN TƯỢNG ĐIỆN HƯỞNG Hiện tượng  xuất hiện các điện tích  cảm  ứng  trên  vật  dẫn  khi  đặt  vật  dẫn  trong  điện  trường  ngoài  được  gọi  là  + + + (S) – – – + – +A –  B + – – + hiện  tượng  điện  hưởng  (hay  hưởng ứng điện)  Mọi đường sức  của A đều tới B Điện  Độ lớn của điện tích  hưởng  cảm ứng ln bằng  tồn  với độ lớn của điện  phần tích trên vật mang  điện  III – ĐIỆN DUNG CỦA VẬT DẪN CƠ LẬP: Một vật dẫn được gọi là cơ lập về điện nếu gần nó  khơng có vật nào khác có thể gây ảnh hưởng đến sự  phân bố điện tích trên bề mặt của nó Điện dung của vật dẫn cơ lập là đại lượng đặc trưng  cho khả năng tích điện của vật dẫn ở một điện thế  nhất định, có giá trị bằng điện tích mà vật dẫn tích  được khi điện thế của nó là một đơn vị điện thế.  C Q V Đơn vi đo điện dung là F (fara) 1  F (micrơ fara) = 10 – 6 F 1 nF (nanơ fara) = 10 – 9 F 1pF (picơ fara) = 10 – 12 F IV – TỤ ĐIỆN, ĐIỆN DUNG CỦA TỤ ĐIỆN: 1 – Tụ điện: Hệ hai vật dẫn đặt gần nhau sao cho giữa chúng luôn  xảy ra hiện tưởng điện hưởng tồn phần. Hai vật  dẫn đó được gọi là hai bản (hay hai cốt) của tụ điện Các loại tụ  điện: 2 – Điện dung của điện: Là  đại  lượng  đặc  trưng  cho  khả  năng  tích  điện  của  tụ  điện  ở  một  hiệu  điện  thế  nhất  định,  đo  bằng  thương  số giữa  điện tích của  tụ  điện với hiệu  điện  thế giữa hai bản tụ Q C= U Tụ  phẳng Tụ cầu 4πεε0 R1R εε0S C= C= R − R1 d Tụ Trụ 2πεε0 h C= R2 ln( ) R1 3 – Ghép tụ điện: Ghép nối tiếp = C i Ci Q = Qi U= Ui i Ghép song song C= Ghép nối tiếp C giảm Ghép song song C tăng Ci i Q= Qi i U = Ui V – NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TRƯỜNG: 1 – Năng lượng của tụ điện: Dùng nguồn điện nạp điện tích vào hai bản của một tụ điện  có điện dung C. Ban đầu, tụ điện chưa tích điện và hiệu điện  thế giữa hai bản tụ bằng khơng. Ở thời điểm t, điện thế giữa  hai bản tụ là u và điện tích của tụ là q. Trong thời gian dt tiếp  theo, nguồn đưa thêm diện tích dq đến tụ. Vì dq rất nhỏ nên  u coi như khơng đổi và cơng của nguồn là dA = udq = Cudu.  Cơng tồn phần để nạp điện cho tụ đến khi hiệu điện thế U  U U là:  � � A = dA = C udu = CU 2 0 Cơng này chuyển hóa thành năng lượng của tụ điện.  1 Q Vậy, năng lượng của tụ điện là:W = CU = = QU 2 C 2 – Năng lượng điện trường: Xét năng lượng của một tụ điện phẳng: 1 1 2 W = QU = (εεo ES).(Ed) = εε o E Sd = εε o E τ 2 2 Năng lượng của tụ điện định xứ trong vùng khơng gian có  điện trường. Vậy nơi nào có điện trường  thì nơi đó có  năng lượng. Điện trường có mang năng lượng – đó là  một bằng chứng chứng tỏ điện trường là một dạng vật  chất.  gọi là mặt độ năng lượng điện  ω = εε E Đặt:  E o trường.  Thì năng lượng điện trường đều trong thể tích   là:  W = ωE τ Tổng quát: W= ωE dτ ( τ) BÀI TẬP 3.1 Tính điện dung của một vật dẫn hình cầu, cơ lâp về  điện M r R Tích điện Q cho quả cầu thì điện  thế tại M bên ngồi quả cầu là: kQ V= εr Suy ra, điện dung của quả cầu là: Q εR C= = V k Quả cầu có điện dung 1F thì phải có bán kính 9.109m! BÀI TẬP 3.2 Chứng minh cơng thức tính điện dung của tụ điện phẳng + + + + + + + + d ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­  + d M - x Ta biết, điện thế tại một điểm  trong lòng tụ điện là: σx VM = εε0 Suy ra, hđt gữa 2 bản tụ điện  là: σd Qd U = VM − VN = = εε0 εε0S Vậy điện dung của tụ điện phẳng  là: Q εε0S C= = U d BÀI TẬP 3.3 Chứng minh cơng thức tính điện dung của tụ điện trụ Ta biết, điện thế tại điểm M giữa 2 bản tụ điện  là: 2kQ R VM = ln εh r Suy ra, hđt giữa 2 bản tụ điện là: 2kQ R U = V+ − V− = ln εh R1 Vây điện dung tụ điện trụ là: Q εh 2πεε0 h C= = = R R2 U 2k.ln ln R1 R1 BÀI TẬP 3.4 Chứng minh cơng thức tính điện dung của tụ điện cầu Ta biết, điện thế tại điểm M giữa 2 bản tụ  điện là: kQ kQ 1 VM = r − = kQ( − ) R2 r R2 Suy ra, hiệu điện thế giữa 2 bản tụ điện là: 1 R − R1 U = V+ − V− = kQ( − ) = kQ R1 R R 1R Vậy điện dung của tụ điện cầu là: C= Q R 1R 4πεε0 R1R = = U k(R − R1 ) R − R1 ... 1 – Khái niệm về? ?vật? ?dẫn, ? ?vật? ?dẫn? ?cân bằng tĩnh  điện: Vật? ? dẫn  là  vật? ? có  các  hạt  mang  điện  tự  do.  Các  hạt  này  có  thể  chuyển  động  khắp  mọi  điểm  trong  vật? ? dẫn Trong phạm vi hẹp,? ?vật? ?dẫn? ?là các? ?vật? ?kim loại... có  hướng   –  ta  nói  vật? ? dẫn? ? đang ở trạng thái cân bằng tĩnh điện  I – VẬT DẪN CÂN BẰNG TĨNH ĐIỆN: 2? ?– Tính chất của? ?vật? ?dẫn? ?cân bằng tĩnh điện: E = a) Trong lịng? ?vật? ?dẫn? ?khơng có  E điện trường (Etrong = 0). ... trên  mặt  vật? ? dẫn? ? phụ  thuộc  vào  hình  dạng  của bề mặt? ?vật? ?dẫn.  Những? ?vật? ?dẫn? ?có dạng  mặt cầu, mặt trụ  dài vơ hạn, mặt phẳng rộng vơ hạn thì điện tích phân bố đều.  Những  vật? ? dẫn? ? có