II vat dan va dien moi (1)

VẬT DẪN VÀ ĐIỆN MÔI

1 II. Vật dẫn và ñiện môi  2 Nội dung  Vật dẫn trong ñiện trường ngoài. ðiện dung của vật dẫn  Năng lượng ñiện trường  Sự phân cực của chất ñiện môi  ðiện trường trong chất ñiện môi. 3 Mục tiêu  Nắm ñược khái niệm về vật dẫn, ñiện môi và phân loại vật liệu theo tính dẫn ñiện.  Các tính chất của vật dẫn, ñiện môi trong ñiện trường ngoài.  Khái niệm về ñiện dung, tụ ñiện. Vận dụng tính ñiện dung trong một số trường hợp cụ thể. 4 II.1 Khái niệm chung về vật dẫn 5 1. Phân biệt vật chất theo tính dẫn ñiện  Vật dẫn ñiện: ñiện tích có thể chuyển ñộng tự do trong toàn bộ thể tích. VD: kim loại.  Chất cách ñiện (ñiện môi): ñiện tích ñịnh xứ/kém tự do. VD: gỗ, giấy, nhựa.  Bán dẫn. VD: Si, Ge, …  Siêu dẫn: tại nhiệt ñộ nhất ñịnh có R = 0. Hg, Y-Ba-Ca-O, … ðiện trở suất Vật liệu ðiện trở suất, ρ (Ωm) Kim loại 10 -8 Bán dẫn thay ñổi mạnh Cách ñiện 10 16 6 7 Conductor Insulator 8 2. Yếu tố quyết ñịnh tính dẫn ñiện ? Cấu tạo và bản chất ñiện của các nguyên tử.  Kim loại: - ion dương sắp xếp trật tự tạo thành mạng tinh thể, dao ñộng nhiệt nhỏ quanh nút mạng. - ñiện tử hóa trị liên kết yếu với hạt nhân nguyên tử, tách khỏi nguyên tử thành ñiện tử dẫn.  ðiện môi: - ñiện tích không chuyển ñộng tự do, ví dụ ñiện tử liên kết mạnh với nguyên tử. 9 II.2 Sự cân bằng ñiện tích trên vật dẫn. Vật dẫn trong ñiện trường ngoài 10 1. Sự cân bằng ñiện tích trên vật dẫn.  Vật dẫn cân bằng ñiện tích: trạng thái ñiện tích tự do nằm cân bằng (không chuyển ñộng tạo thành dòng ñiện).  ðiều kiện cân bằng tĩnh ñiện: - Trong vật dẫn: Vector cường ñộ ñiện trường E tại mọi ñiểm phải bằng 0. - Trên bề mặt vật dẫn: Tại mọi ñiểm, thành phần tiếp tuyến của vector cường ñộ ñiện trường bằng 0, vector cường ñộ ñiện trường vuông góc với bề mặt vật dẫn. 11 2. Tính chất của vật dẫn mang ñiện  Nếu một vật dẫn có một ñiện tích q và ở trạng thái cân bằng tĩnh ñiện thì ñiện tích q chỉ ñược phân bố trên bề mặt của vật dẫn, bên trong vật dẫn tổng ñại số ñiện tích bằng 0. Ứng dụng: máy phát tĩnh ñiện, màn ñiện.  Vật dẫn cân bằng tĩnh ñiện là một vật ñẳng thế (equipotential object). Sự phân bố ñiện tích trên mặt vật dẫn chỉ phụ thuộc vào hình dạng của mặt. Thử CM một số tính chất của vật dẫn cân bằng tĩnh ñiện  ðiện tích q chỉ ñược phân bố trên bề mặt của vật dẫn ? 12  Vector cường ñộ ñiện trường vuông góc với mặt vật dẫn ? 13  Vật dẫn cân bằng tĩnh ñiện là một vật ñẳng thế ? 14 Ðiểm 2 lấy bất kỳ trong vật dẫn → mọi ñiểm của vật dẫn cân bằng tĩnh ñiện ñều có cùng một ñiện thế (vật ñẳng thế). 15 3. Vật dẫn trong ñiện trường ngoài  Hiện tượng ñiện hưởng: Hiện tượng các ñiện tích cảm ứng xuất hiện trên bề mặt vật dẫn khi ñặt trong ñiện trường ngoài ñược gọi là hiện tượng ñiện hưởng (hiện tượng cảm ứng tĩnh ñiện). 16 Vật dẫn trong ñiện trường ngoài (cont.1)  ðịnh lý các phần tử tương ứng: ðiện tích cảm ứng trên các phần tử tương ứng có ñộ lớn bằng nhau và trái dấu: ∆q’ = ∆q Ý nghĩa: cho thấy mối quan hệ giữa ñiện tích của vật mang ñiện và ñiện tích cảm ứng xuất hiện trên vật dẫn. 17 ðiện hưởng một phần và toàn phần  ðiện hưởng một phần: ðộ lớn của ñiện tích cảm ứng trên vật dẫn nhỏ hơn ñộ lớn ñiện tích trên vật mang ñiện.  ðiện hưởng toàn phần: ðộ lớn của ñiện tích cảm ứng trên vật dẫn bằng ñộ lớn ñiện tích trên vật mang ñiện. 18 Ứng dụng: màn ñiện  Xét một vật dẫn rỗng B ñặt gần một vật mang ñiện C. Như trên, người ta có thể chứng minh ñược ñiện trường ở trong phần rỗng bằng không. Nếu trong phần rỗng của vật B có ñặt một vật A thì vật A sẽ không chịu ảnh hưởng ñiện của vật C. Vật dẫn rỗng B, có tác dụng như một màn chắn cho vật A khỏi bị ảnh hưởng ñiện trường của các vật mang ñiện bên ngoài, gọi là màn ñiện.  Ứng dụng: Các máy tĩnh ñiện thường ñược ñặt trong một vỏ bằng kim loại ñể tránh ảnh hưởng ñiện bên ngoài. Vỏ kim loại ñó giữ vai trò của màn ñiện. Các ñèn ñiện tử, các dây ñiện thoại, dây micrô ñều ñược bọc ở ngoài bằng những lưới thép. Lưới thép có tác dụng như một màn ñiện giữ cho chế ñộ làm việc của ñèn và dòng ñiện chạy trong dây ñược ổn ñịnh, không bị nhiễu bởi ảnh hưởng ñiện bên ngoài.  Ðể giữ cho ñiện thế của màn không ñổi, người ta nối màn ñiện với ñất. Nếu trên màn ñiện có các ñiện tích thì các ñiện tích này sẽ theo dây dẫn truyền xuống ñất. Dây nối với ñất ñược gọi là dây "mass". 19 II.3 ðiện dung của các vật dẫn. Tụ ñiện. 20 1. ðiện dung của vật dẫn cô lập.  ðiện thế của vật dẫn cô lập tỉ lệ với ñiện tích của vật dẫn ñó: q = C.V hệ số tỉ lệ C: ñiện dung của vật dẫn, phụ thuộc hình dạng, kích thước, tính chất của môi trường cách ñiện bao quanh vật dẫn.  ðịnh nghĩa: V = 1 → C = V: ðiện dung của vật dẫn cô lập là một ñại lượng về giá trị bằng ñiện tích cần truyền cho vật dẫn ñể ñiện thế của vật dẫn tăng thêm một ñơn vị ñiện thế. ðơn vị: F (Faraday) = C/V. 21 2. ðiện dung của hai vật dẫn.  ðiện dung của hai vật dẫn: Xét 2 vật dẫn 1 và 2 ở trạng thái cân bằng ñiện với ñiện tích và ñiện thế là q 1 , V 1 và q 2 , V 2 . + q 1 = C 11 .V 1 + α 12 .V 2 + q 2 = α 21 .V 1 + C 22 .V 2 với C ii : ñiện dung của vật dẫn i, α ij : hệ số tích ñiện (ñộ ñiện hưởng) của vật dẫn i gây ra bởi vật dẫn j.  Một số tính chất: C ii ≥ 0, C ij = C ji .  Hệ n vật dẫn: ∑ ≠ α+= n ij jijiiii VVCq 22 3. Tụ ñiện.  ðịnh nghĩa: tụ ñiện là 1 hệ gồm hai vật dẫn cô lập, ñược gọi là hai bản tụ, ở trạng thái ñiện hưởng toàn phần.  Tính chất: - ðiện tích xuất hiện trên hai mặt ñối diện của các bản tụ có giá trị bằng nhau và trái dấu. - ðiện dung C của tụ ñiện: Q = C.(V 1 - V 2 ) hay - Q = - C.(V 1 - V 2 ) - ðiện thế của bản tích ñiện dương cao hơn của bản tích ñiện âm: (V 1 > V 2 ). 23 4. ðiện dung của một số tụ ñiện  Tụ ñiện phẳng: C chỉ phụ thuộc vào A, d (các yếu tố ñối xứng) 24 ðiện dung của một số tụ ñiện (cont. 1)  Tụ ñiện cầu: 25 ðiện dung của một số tụ ñiện (cont. 2)  Tụ ñiện trụ: 1 2 0 ln .2 R R l C ε πε = 26 5. Ghép tụ ñiện  Tụ ñiện mắc song song 27 Ghép tụ ñiện (cont. 1)  Tụ ñiện mắc nối tiếp 28 29 6. Ứng dụng của tụ ñiện  Tụ ñiện ñược sử dụng phổ biến trong các thiết bị ñiện tử với các công dụng nhất ñịnh như truyền dẫn tín hiệu, lọc nhiễu, lọc ñiện nguồn, tạo dao ñộng, …: - Cho ñiện áp xoay chiều ñi qua và ngăn ñiện áp một chiều lại, do ñó tụ ñược sử dụng ñể truyền tín hiệu giữa các tầng khuyếch ñại có chênh lệch về ñiện áp một chiều. - Với ñiện xoay chiều thì tụ dẫn ñiện còn với ñiện một chiều thì tụ lại trở thành tụ lọc. - Lọc ñiện áp xoay chiều sau khi ñã ñược chỉnh lưu (loại bỏ pha âm) thành ñiện áp một chiều bằng phẳng (nguyên lý của các tụ lọc nguồn).  Tụ giấy và tụ gốm (trị số nhỏ) thường lắp trong các mạch cao tần còn tụ hóa (trị số lớn) thường lắp trong các mạch âm tần hoăc lọc nguồn ñiện có tần số thấp. 30 Bài tập 31 II.4 Năng lượng ñiện trường 32 1. Năng lượng tương tác của một hệ ñiện tích ñiểm  Thế năng tương tác giữa q 1 và q 2 : hay có thể viết lại thành 33 2. Năng lượng của một vật dẫn cô lập tích ñiện  Ta có thể xem vật dẫn như một hệ ñiện tích ñiểm, khi ñó năng lượng của hệ này là: 34 3. Năng lượng của tụ ñiện 35 4. Năng lượng ñiện trường 36 Nhận xét 1. ðiện trường mang năng lượng: năng lượng này ñịnh xứ trong không gian chứa ñiện trường. 2. Mật ñộ năng lượng ñiện trường tại một ñiểm là: → năng lượng ñiện trường trong thể tích hữu hạn là: Bài tập 37 38 II.5 Sự phân cực của chất ñiện môi 39 1. Khái niệm  Khác với các chất dẫn ñiện, trong các chất ñiện môi không có các ñiện tích tự do và không thể dẫn ñiện ñược. VD: gỗ, giấy, nhựa, …  Khi ta ñặt một thanh ñiện môi vào trong một ñiện trường ñủ lớn thì ở hai ñầu thanh cũng xuất hiện các ñiện tích. Hiện tượng ñó ñược gọi là hiện tượng phân cực ñiện môi. Hiện tượng này bề ngoài có vẻ giống như trường hợp ta ñặt một vật dẫn vào trong một ñiện trường. Q: Quá trình xuất hiện các ñiện tích ở trên hai ñầu thanh như thế nào và ñiện trường ở bên trong chất ñiện môi có bị triệt tiêu như trong trường hợp vật dẫn không ? 40 2. Hiện tượng phân cực a. Lưỡng cực phân tử, phân loại  Mỗi phân tử của chất ñiện môi gồm hai phần: một phần gồm các hạt nhân nguyên tử mang ñiện tích dương và phần còn lại là các e- mang ñiện tích âm quay quanh các hạt nhân. Bình thường, các phân tử của chất ñiện môi trung hoà ñiện. Về phương diện ñiện, ta có thể thay phần ñiện tích âm của các êlectrôn bằng ñiện tích q ñặt tại trọng tâm ñiện tích âm O_ và thay phần ñiện tích dương của các hạt nhân bằng ñiện tích +q ñặt tại tâm ñiện tích dương O+ . [...]... ng bên ngoài 45 46 c Vector phân c c ñi n môi Ð c trưng cho m c ñ phân c c c a ch t ñi n môi B ng t ng các vectơ moment lư ng c c ñi n c a các phân t có trong m t ñơn v th tích c a ch t ñi n môi: 47 48 II. 6 ði n trư ng trong ch t ñi n môi 49 50 51 52 Bài t p 53 54 . j.  Một số tính chất: C ii ≥ 0, C ij = C ji .  Hệ n vật dẫn: ∑ ≠ α+= n ij jijiiii VVCq 22 3. Tụ ñiện.  ðịnh nghĩa: tụ ñiện là 1 hệ gồm hai vật dẫn cô lập,. C 22 .V 2 với C ii : ñiện dung của vật dẫn i, α ij : hệ số tích ñiện (ñộ ñiện hưởng) của vật dẫn i gây ra bởi vật dẫn j.  Một số tính chất: C ii ≥ 0, C ij =