Microsoft Word CHUONG 7 doc Toùm taét baøi giaûng Vaät lyù A1 ÑH Baùch Khoa TP HCM – Th S TRAÀN ANH TUÙ 1 1 CHÖÔNG 7 VAÄT DAÃN – ĐIỆN MÔI A VẬT DẪN Vaät daãn (kim loaïi) ñöôïc caáu taïo bôûi caùc nguy[.]
1 Tóm tắt giảng Vật lý A1 CHƯƠNG 7: VẬT DẪN – ĐIỆN MƠI A VẬT DẪN Vật dẫn (kim loại) cấu tạo nguyên tử có số điện tử lớp nhỏ liên kết yếu với hạt nhân, dễ biến thành điện tử tự Dưới tác dụng r điện trường ngoài, E hay hiệu điện điện tử tự chịu tác dụng lực r r điện FE = −e.E di chuyển ngược chiều với điện trường tạo thành dòng điện tử,nên kim loại dễ dẫn điện 7.1 Vật dẫn cân tónh điện 7.1.1 Điều kiện để vật dẫn cân tónh điện a Điện trường bên vật dẫn phải r b Điện trường E bề mặt vật dẫn phải luôn vuông góc với bề mặt vật daãn r r r Et = ⇒ E = En 7.1.2 Tính chất a Vật dẫn vật đẳng − dV = E.dr = ⇒ V = hs b Khi ta truyền cho vật dẫn điện tích q toàn điện tích phân bố bề mặt vật dẫn (bên trung hòa) Nếu vật dẫn mặt phẳng, mặt trụ, mặt cầu điện tích phân Q⎞ ⎛ bố bề mặt ⎜ σ = ⎟ Nếu bề mặt vật dẫn lồi lõm khác điện tích tập trung S⎠ ⎝ nhiều phần lồi không tích điện phần lõm 7.2 Hiện tượng điện hưởng 7.2.1 Định nghóa r Đặt vật dẫn AB trung hòa điện trường E r E0 -q r đặt gần vật tích điện Q >0 hai mặt A, B đối diện với điện Q E ' A trường tích điện trái dấu -q +q (gọi điện tích cảm ứng) r Giải thích: điện tử tự vật dẫn tác dụng điện trường E chịu r r lực FE di chuyển ngược chiều E , tích điện –q mặt A +q mặt B r r Khi tích điện hai mặt A, B xuất điện trường phụ E ' ngược chiều E Điện trường tổng r r r hợp bên vật dẫn: E = E0 + E ' Hiện tượng tích điện vật dẫn tiếp tục E ' chưa E tăng dần lúc E ' = E điện trường bên vật dẫn Ta có vật dẫn cân tónh điện 7.2.2 Phân loại a Điện hưởng phần: Khi vật dẫn AB không bao trùm hết vật tích điện Q ta có tượng điện hưởng phần, q0 7.3 Vật dẫn cô lập (VDCL) 7.3.1 Định nghóa: Vật dẫn cô lập phương diện điện đặt cách xa vật khác có gây ảnh hưởng đến phân bố điện tích vật dẫn 7.3.2 Điện dung vật dẫn cô lập Truyền cho vật dẫn cô lập điện tích Q vật dẫn có điện V, tăng Q V tăng Q theo ngược lại, tỉ số luôn số gọi điện dung vật dẫn cô lập V Q C = ( F ) = hs V VD: Vật dẫn hình cầu có C = 1F, tính R Quả cầu phân bố điện tích Q bề mặt => xem cầu rỗng có: k Q k Q k C ⇒R= = ⇒ R = 9.109 m V= ε R ε V ε 7.4 Tụ điện 7.4.1 Định nghóa Khi vật dẫn B bao trùm hết vật dẫn A, ta tích cho vật dẫn A điện tích +Q, hai bề mặt vật dẫn B tích điện –Q, +Q Nối mặt vật dẫn B xuống đất (mặt trung hòa) ta có hai bề mặt kim loại tích điện trái dấu –Q, +Q gọi hai (cốt) tụ điện 7.4.2 Điện dung tụ điện Ta tích điện cho tụ điện điện tích Q giữ hai tụ có hiệu điện U Tăng Q U Q luôn số, gọi điện dung tụ điện: tăng ngược lại, tỉ số U Q C = = hs U 7.4.3 Điện dung tụ điện đặc biệt d ε ε S a Tụ phẳng: C = r d E σ σ E1 = E2 = ⇒E= ε ε 2.ε ε +σ −σ V d Q.d σ ∫ −dV = ∫ E.dr = ∫0 ε ε dr = S ε ε = U r O V B A ĐH Bách Khoa TP.HCM – Th.S TRẦN ANH TÚ Tóm tắt giảng Vật lý A1 b.Tuï truï: C = 2π ε ε l R ln R1 R1 R2 r E D.S3 = D.2π r.l = +Q ⇒D= U= Q Q ⇒E= 2π r.l 2π ε ε l.r VB ∫ −dV = ∫ E.dr = VA c.Tụ cầu: C = 4π ε ε R1.R2 R2 − R1 VB ∫ −dV = ∫ E.dr = VA ⇔U = r R R Q dr Q = ln ∫ 2π ε ε l R1 r 2π ε ε l R1 ∫ D.dS = D.4π r = +Q ⇒ D = ⇒U = O Q 4πε ε Q Q ⇒E= 4π r 4π ε ε r R2 R2 R1 r−Q E +Q O R dr Q ⎛ 1⎤ = ∫R r 4π ε ε ⎝⎜ − r ⎦⎥ R 1 r Q ⎛ R2 − R1 ⎞ ⎜ ⎟ 4π ε ε ⎝ R1.R2 ⎠ 7.5 Năng lượng điện trường 7.5.1 Năng lượng điện trường hệ hai điện tích điểm: q1, q2 WE = Wt = k q1.q2 ε r Chính công điện tích q2 di chuyển từ r vô điện trường q1, hay công người ta di chuyển điện tích q2 từ # đến r điện trường q1 hoán đổi ngược laïi k q k q 1 ⇔ WE = Wt = q1 + q2 = q1.V1 + q2 V2 2 ε r ε r V2 k q2 điện q1 q2 gaây V1 = q2 V1 ε r r k q điện q2 q1 gây V2 = q1 ε r r F1 r F1 7.5.2 Năng lượng điện trường hệ điện tích điểm (q1, q2, … , qn): WE = n qi Vi = (q1 V1 + q2 V2 + + q n Vn ) ∑ i =1 Vi điện qi điện tích khác qi gây ĐH Bách Khoa TP.HCM – Th.S TRẦN ANH TÚ V2 V1 q1 r q2 Vn qn Tóm tắt giảng Vật lý A1 VD: Cho tứ cực tuyến tính hình vẽ Tính công tạo tứ cực ( q1.V1 + q2 V2 + q3 V3 ) k (−2q ) k ( q ) + = V3 V1 = ε a ε 2a 2.k ( q ) V2 = ε a ⎡ k (−2q ) ( q ) k (q ) 2.k ( q ) (−2q ) ⎤ ⇒ W = ⎢2 +2 + ⎥ ε a ε 2a ε a 2⎣ ⎦ W= V1 +q a r F1 V2 V3 a −2q +q 7.5.3 Năng lượng điện trường VDCL 1 dW = dq.V ⇔ ∫ dW = ∫ dq.V 2 1 1Q W = Q.V = C.V = 2 C 7.5.4 Năng lượng điện trường tụ điện: 1 Q2 W = Q.U = C.U = 2 C2 7.5.5 Năng lượng điện trường: Trong khoảng không gian điện trường, lượng điện trường định xứ điểm không gian điện trường mật độ lượng điện trường điểm xác định: 2 ωE = E.D = ε ε E = ωE = dWE dV vaø WE = D2 ε ε ∫ d W = ∫ ω (V ) E E dV d V * Tụ điện phẳng: Q2 ε ε S σ2 W d =1 Q = = E D ωE = E = ε ε S 2 ε ε V S d ÑH Bách Khoa TP.HCM – Th.S TRẦN ANH TÚ r E +σ r S O −σ Tóm tắt giảng Vật lý A1 Lưu ý: K Q R K Q EA = R K Q V M (r > R ) = r K Q EM = r * vật nối với nhau: K Q VA = RA VA = VB = K Q RB Noái A, B: V ' A = VB ' ' K Q A K Q ' B ⇔ = RA RB ' ' Với: Q A + QB = Q A + QB Hay: QA ' QB ' = RA RB ĐH Bách Khoa TP.HCM – Th.S TRẦN ANH TÚ Tóm tắt giảng Vật lý A1 B ĐIỆN MƠI Điện môi hay chất cách điện có cấu tạo số điện tử lớn 4, liên kết mạnh với hạt nhân nên không bứt thành điện tử tự Dưới tác dụng điện trường hay điện điện tích chịu tác dụng lực điện làm lệch vị trí điện tích không chuyển động nên điện môi không dẫn điện Nếu điện trường mạnh điện tử bị bứt khỏi nguyên tử thành điện tử tự di chuyển ngược chiều với điện trường, ta nói điện môi bị phá hủy => vật dẫn r E0 7.6 Hiện tượng phân cực điện môi 7.6.1 Định nghóa: Đặt điện môi điện trường hay gần vật tích điện hai bề mặt A B đối diện với điện trường chất môi tích điện trái dấu gọi điện tích liên kết 7.6.2 Giải thích a Điện môi phân tử không phân cực: Gồm phân tử có phân bố electron đối xứng (H2, O2,…), nên trọng tâm điện tích dương (G+), âm (G−) trùng ⇒ phân tử không phân cực r Dưới tác dụng điện trường E làm lệch trọng tâm hai điện tích: Trọng tâm điện tích (G+), (G−) chịu tác dụng lực điện nên không trùng r tạo thành mômen lưỡng cực điện phân tử p e r phương chiều với E : phân cực electron Ở bên Q +q B r E' − r E0 r pe G G B A chất điện môi trung hòa, hai mặt A, B đối diện với điện trường tích điện trái dấu r r r pe = ε α E0 phụ thuộc E : lưỡng cực điện phân tử đàn hồi (α: độ phân cực phân tử) b Điện môi phân tử phân cực Được cấu tạo phân tử có phân bố electron không đối xứng (HCl; CH3Cl; NH3;…) nên trọng tâm điện tích (G+), (G−) không trùng tạo thành mômen điện phân tử pr e có phương chiều hỗn loạn chất điện môi nhöng ∑ r pe = r E0 r pe r pe G+ G+ r pe G− G− r Dưới tác dụng điện trường E , trọng tâm A điện tích (G+), (G−) chịu tác dụng lực điện tạo thành mômen ngẫu lực, làm cho pr e quay (định hướng) r cho có phương chiều gần trùng với E pr e không đổi (lưỡng cực cứng) : phân cực định hướng Ở bên trung hòa hai mặt A, B tích điện trái dấu r r Nếu điện trường E mạnh, lúc pr e phương chiều E ĐH Bách Khoa TP.HCM – Th.S TRẦN ANH TÚ B Tóm tắt giảng Vật lý A1 c Điện môi tinh thể: có cấu tạo mạng tinh thể ion dương âm lồng vào Dưới tác dụng r r điện trường E ,các mạng ion dương dịch chuyển theo chiều E ion âm ngược chiều gây hiên tượng phân cực:sự phân cực ion Đối với ba điện môi tượng phân cực điện môi biến cắt điện trường 7.7 Vectơ phân cực điện môi Điện trường chất điện môi 7.7.1 Định nghóa: Vectơ phân cực điện môi tổng moment điện phân tử có đơn vị thể tích r r ∑ pe khối địên môi: Pe = ΔV r r * Đối với điện môi phân tử không phân cực điện môi tinh theå pe ↑↑ E0 r n pr e r r r Với : n : mật độ phân tử Pe = = n0 pe = n0 ε α E = ε χ e E ΔV χ e = n0 α : hệ số phân cực đơn vị thể tích chất điện môi hay độ cảm điện môi * Đối với điện môi phân tử phân cực: χ e = n0 pe2 (k: số Bolzmann; T (0K)) 3ε k T r 7.7.2 Liên hệ vectơ phân cực điện môi Pe mật độ điện mặt điện tích liên kết Mật độ điện tích mặt σ điện tích liên kết xuất mặt phẳng giới hạn khối điện môi: r Pen = σ = Pe cos α 7.8 Điện trường chất điện môi 7.8.1 Điện trường tổng hợp điện môi đồng nhất, đẳng hướng r r Do hai bề mặt A, B trái dấu nên xuất điện trường phụ E ' ngược chiều E0 , điện r r r r E ⎞ ⎛ trường tổng hợp bên chất điện môi E : E = E0 + E ' vaø ⎜ E = E0 − E ' = ⎟ ε ⎠ ⎝ σ' Với σ ' = Pen = ε χ e En = ε χ e E ⇒ E ' = = χ e E ε0 r E0 r E r E' ⇒ ( E = E0 − E = E0 − χ e E ⇒ E0 = (1 + χ e ).E = ε E ) r r 7.8.2 Vectơ điện cảm D vectơ phân cực điện môi Pe r r r * Đối với điện môi bất kỳ: D = ε E + Pe ' * Đối với điện môi đồng nhất, đẳng hướng: r r r r D = ε E + ε χ e E = ε E (1 + χ e ) với: ε = + χ e r r hay : D = ε ε E ĐH Bách Khoa TP.HCM – Th.S TRẦN ANH TÚ Tóm tắt giảng Vật lý A1 r r 7.8.3 Đường sức E , D qua mặt phân cách môi trường: Khi qua mặt phân cách môi trường: r r ε1 a Đối với E : E r E1t r E1 1n E1t = E2t ; E1n ≠ E2 n KL: • • E1n ε = E2 n ε1 r E2n ε2 D1n = D2 n ; D1t ≠ D2t • • r E2 r Thành phần tiếp tuyến E liên tục qua mặt phân cách môi trường r Thành phần pháp tuyến E không liên tục qua mặt phân cách môi trường r b Đối với D : KL: r E2t D1t ε1 = D2t ε ε1 ε2 r D1n r D1t r D1 r D2n r D2t r D2 r Thành phần tiếp tuyến D không liên tục qua mặt phân cách môi trường r Thành phần pháp tuyến D liên tục qua mặt phân cách môi trường ĐH Bách Khoa TP.HCM – Th.S TRẦN ANH TUÙ ... giảng Vật lý A1 b Điện hưởng toàn phần r Điện trường E ảnh hưởng toàn lên vật dẫn Vật dẫn AB bao trùm hết vật tích điện Q, q = Q q=Q −Q Q>0 7. 3 Vật dẫn cô lập (VDCL) 7. 3.1 Định nghóa: Vật dẫn cô... cô lập phương diện điện đặt cách xa vật khác có gây ảnh hưởng đến phân bố điện tích vật dẫn 7. 3.2 Điện dung vật dẫn cô lập Truyền cho vật dẫn cô lập điện tích Q vật dẫn có điện V, tăng Q V tăng... m V= ε R ε V ε 7. 4 Tụ điện 7. 4.1 Định nghóa Khi vật dẫn B bao trùm hết vật dẫn A, ta tích cho vật dẫn A điện tích +Q, hai bề mặt vật dẫn B tích điện –Q, +Q Nối mặt vật dẫn B xuống đất (mặt trung