Bài giảng vật lý đại cương 2 chương 2 pgs ts nguyễn thành vấn

.c om co ng CHƯƠNG cu u du o ng th an VẬT DẪN CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 2: VẬT DẪN Nội dung c om • Vật dẫn • Điện dung vật dẫn • Tụ điện ng • Tính chất vật dẫn điện trạng co thái cân tĩnh điện th an • Vật dẫn điện trường ngồi • Năng lượng điện trường du o ng Chuẩn đầu cu u • Hiểu khái niệm vật dẫn, điện dung • Giải thích tượng liên quan đến vật dẫn điện • Vận dụng giải toán cụ thể điện thế, tụ điện lượng điện trường CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VẬT DẪN cu u du o ng th an co ng c om Vật dẫn điện (VDĐ) vật có chứa điện tích tự (có thể ion electron) Đó điện tích chuyển động tự bên VDĐ mà khơng thể bề mặt VDĐ, ta xét xem VDĐ kim loại, điện tích tự điện tử tự Khi tác dụng điện trường điện tử tự di chuyển theo chiều hướng định tạo thành dòng điện VDĐ trạng thái tự nhiên trung hòa điện tích Khi số điện tử vật trở nên có điện tích dương nhiều điện tích âm xem vật thực mang điện tích dương ngược lại Điện tích khác với điện tích trung hịa VDĐ gọi điện tích thừa hay điện tích tự CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt .c om ng cu u du o ng th an co ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG TĨNH ĐIỆN VÀ TÍNH CHẤT CỦA VDĐ Ở TRẠNG THÁI CÂN BẰNG TĨNH ĐIỆN CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG TĨNH ĐIỆN q q’ th co an + ng A -  - EB - ng c om Khi chưa có điện trường tác dụng vào VDĐ e tự luôn chuyển động hỗn loạn Khi tác dụng vào VDĐ điện trường ngồi e tự chuyển động hỗn loạn VDĐ phân bố lại để tạo điện trường làm tác dụng điện trường Trạng thái mà điện trường VDĐ không gọi trạng thái cân tĩnh điện  + B EA + + q’ du o TÍNH CHẤT CỦA VDĐ Ở TRẠNG THÁI CÂN BẰNG TĨNH ĐIỆN cu u 1 Điện trường khơng bên vật dẫn Vì điện trường lịng VDĐ khơng nên VDĐ nằm VDĐ rỗng không bị ảnh hưởng điện trường bên Đây nguyên tắc hoạt động chắn điện ứng dụng rộng rãi kỹ thuật đời sống CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Vật dẫn vật đẳng c om VM Xét hai điểm M N vật dẫn N    VN  E d    M E0 M th an co ng  E   V  const N ng Điện tích thừa phân bố bề mặt VDĐ u   E.dS  0 cu  du o Chọn mặt S nằm lịng VDĐ sát mặt ngồi Định lý Gauss:  E0  S  qi q i i S q i 0 0 i CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ng th an co ng c om Sự phân bố điện tích mặt VDĐ phụ thuộc hình dạng VDĐ Đối với VDĐ đối xứng hình cầu, phẳng, trụ, điện tích phân bố tồn mặt VDĐ, ngược lại VDĐ dạng bất kì, phân bố điện tích khơng đều, điện tích tập trung chỗ mũi nhọn du o u + + + +++ ++ + b cu c + + ++ + + + + ++ + a Phân bố điện tích mặt vật dẫn bất đối xứng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Vectơ điện trường sát mặt ngồi VDĐ vng góc với mặt VDĐ có cường độ σ/ε0 VM  VN       E.d    E  d  ng N c om - VDĐ mặt đẳng nên véctơ điện trường điểm sát mặt ngồi VDĐ vng góc với mặt VDĐ co M an Điện trường sát mặt có giá trị σ/ε0 ng th Xét điện trường điểm M sát mặt VDĐ S du o u M cu      E.dS   E.dS  E  S   S 0 S S  E 0 CuuDuongThanCong.com  E cận mặt VDĐ https://fb.com/tailieudientucntt .c om ng co cu u du o ng th an VDĐ TRONG ĐIỆN TRƯỜNG NGOÀI CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt .c om Cho VDĐ (B) trung hòa điện tích đặt điện trường VDĐ (A, có mang điện tích q) điện tích có VDĐ (B) chuyển động Các điện tích dương (q’) theo hướng điện trường, cịn điện tích âm ( q’) ngược lại, q’  q’ gọi điện tích cảm ứng an co ng Trong VDĐ (B) tạo điện trường ngược với điện trường (do A gây ra) làm cho VDĐ (B) trở lại trạng thái cân tĩnh điện th + ng q q’  + B EA + + q’ u du o A -  - EB - cu Hiện tượng điện tích cảm ứng xuất VDĐ (B, lúc đầu không mang điện) đặt điện trường (do A) gọi tượng điện hưởng (hưởng ứng tĩnh điện) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Điện hưởng phần (sự hưởng ứng tĩnh điện phần) Độ lớn điện tích cảm ứng (trên B) nhỏ A độ lớn điện tích VDĐ mang điện (A)  + EA + B + -  - EB - + q c om q’ q’ co Điện hưởng toàn phần ng q'  q an VDĐ (A) có điện tích qA bao quanh VDĐ (B) có điện tích qB trạng thái cân tĩnh điện th ng (1 ) qA du o q B  q Btr  q Bng Áp dụng định lý Gauss cho mặt kín S u A cu  q A  q Btr   q Btr   q A ( ) Từ (1), (2): Nếu qB = q Bng  q B  q A  q Bng  q A CuuDuongThanCong.com S qBtr qBng B Điện hưởng toàn phần https://fb.com/tailieudientucntt Nếu q điện tích A xuất điện tích –q mặt điện tích +q bên B  Nếu phân bố điện tích +q mặt ngồi B khơng phụ thuộc vào vị trí A Nếu ta nối đất điện tích +q biến mất, điện tích mặt B mặt A không thay đổi ++ th + an co ng c om  ng q ++ + +A + ++ + + cu u - - du o - - -q - - - B q + - ++ + +A + ++ - - B - - + CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt .c om cu u du o ng th an co ng ĐIỆN DUNG CỦA MỘT VDĐ CÔ LẬP CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Một điện tích q truyền cho VDĐ lập điện phân bố mặt VDĐ cho điện trường bên VDĐ không an co ng c om Điện tích tăng lần VDĐ điện trường điểm khơng gian VDĐ gây tăng nhiêu lần Qua mối liên hệ điện trường điện ta kết luận điện vật dẫn tỷ lệ với điện tích mà vật dẫn có Vậy VDĐ cô lập, điện VDĐ tỉ lệ với điện tích ng th q q  CV  C  (F) V du o Vật dẫn lập hình cầu, điện cầu điện tâm cu u V  S  dS q   o R  o R Suy điện dung C cầu bán kính R: C   o R CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt .c om ng co cu u du o ng th an TỤ ĐIỆN CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Khái niệm tụ điện c om  Tụ điện hệ gồm hai vật dẫn đặt gần ngăn cách chất cách điện  Các vật dẫn tạo nên tụ điện gọi tụ th an co ng  Thông số đặc trưng cho tụ điện điện dung Điện dung tụ điện tỉ lệ với điện tích có hiệu điện hai đó: du o ng q q C  V1  V2 U cu u Điện dung tụ điện đại lượng đặc trưng cho khả tích điện tụ Điện dung tụ điện phụ thuộc vào cấu tạo, hình dạng, kích thước hai môi tường cách điện hai tụ mà không phụ thuộc vào vật dẫn bên CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Tụ điện phẳng c om Cấu tạo: gồm hai phẳng kim loại có diện tích S đặt song song cách đoạn d nhỏ so với kích thước  o S co o ng Điện trường hai điện trường có giá trị:  q d E  th   V1  V2  E.d  an Hiệu điện hai bản: ng q U  V1  V2  C u Mà: cu du o  q  V1  V2  d 0 S S C  0 d CuuDuongThanCong.com + + + + + + + + + + + + + https://fb.com/tailieudientucntt - - S - - Tụ điện cầu Cấu tạo: gồm hai cầu kim loại đồng tâm, cầu có bán kính R1, cầu ngồi rỗng có bán kính R2   1 q dr  o  r +  ng q  1  q R  R1  V1  V2      o   R R   o  R R  + + R1 + +  cu u du o   an V1  V2    E.d r  th co Hiệu điện hai bản: ng c om q Điện trường hai bản: E  ;(R  r  R )  o  r Vậy điện dung tụ điện cầu: CuuDuongThanCong.com  o  R R C R2  R1 https://fb.com/tailieudientucntt  + R + 2 +  Tụ điện trụ Cấu tạo: gồm hai mặt kim loại đồng trục, mặt trụ có bán kính R1, mặt trụ ngồi có bán kính R2 .c om q ;(R  r  R ) Điện trường hai mặt trụ: E   o  Hr an  du o ng R2 q V1  V2  ln  o  H R1 th  ng H   co Hiệu điện hai mặt trụ:   q V1  V2  E.d r  dr  o  Hr 1 R2   + + + + R1 + + + + cu u Vậy điện dung tụ điện trụ:  o  H C R2 ln R1 CuuDuongThanCong.com     https://fb.com/tailieudientucntt an co ng c om NĂNG LƯỢNG TRƯỜNG TĨNH ĐIỆN cu u du o ng th Để thiết lập hệ điện tích cần phải cung cấp công để thắng lực tương tác điện tích Do hệ điện tích phải mang lượng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Năng lượng tĩnh điện VDĐ cô lập mang điện Giả sử ban đầu VDĐ không mang điện: q = W th an co ng c om Muốn tích cho VDĐ điện tích Q điện VDĐ V cần tốn cơng W Theo định luật bảo tồn lượng, W = We (thế tĩnh điện VDĐ) Đưa điện tích dq từ vơ {dW(∞) = 0} đến VDĐ có điện V ta cần tốn cơng: e   dA  W e  u dW du o ng dA  dW ( )  dW   dW   dqV   Q  q dq C q Q2 dq  C C cu Năng lượng tĩnh điện We VDĐ có điện dung C, mang điện tích Q tồn điện V là: Q2 1 We   CV  QV C 2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Năng lượng tĩnh điện hệ VDĐ ng c om Xét hệ gồm n VDĐ có điện tích điện VDĐ Q1, Q2,…, Qn V1, V2,…, Vn Giả sử ban đầu VDĐ có điện tích điện không th an co Gọi Q1x, Q2x,…, Qnx V1x, V2x,…, Vnx điện tích điện VDĐ trạng thái trung gian du o ng Muốn chuyển hệ từ trạng thái ban đầu đến trạng thái cuối cùng, ta cho x biến thiên từ đến cu u Muốn chuyển hệ từ trạng thái x sang trạng thái x = dx, ta cần mang từ vơ cực tới VDĐ điện tích Q1dx, Q2dx,…, Qndx tốn công: n dW  V1 xQ dx , V xQ dx , , Vn xQ n dx  xdx  Q i V i i1 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Tổng lượng ta tốn để thiết lập trạng thái cuối hệ lương tĩnh điện hệ VDĐ mang điện: 1 n  We  W   xdx  Q i Vi   Q i Vi i 1 i 1 ng c om n th an co n We   Q i Vi i 1 du o ng Suy lượng tụ điện: cu u 1 1 1 Q We  QV1  (  Q)V2  Q(V1  V2 )  QU  CU  2 2 2 C 1  S 1 U 2 We  CU  U      Sd   E Sd   E v 2 d 2 d CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Năng lượng trường tĩnh điện th an co ng c om  Năng lượng tụ điện lượng điện trường gữa hai tụ Tương tự lượng hệ điện tích điểm hay lượng VDĐ tích điện lượng điện trường gây chúng W    E v e o Năng lượng điện trường: u du o ng We Mật độ lượng điện trường: w e    o E v cu  Trong trường hợp tổng qt, điện trường nói chung khơng nên ta phải chia khơng gian có chứa điện trường thành thể tích dv nhỏ xem điện trường dv CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt .c om  Năng lượng điện trường chứa thể tích dv: dW e   o  E dv an   o  E dv th We  co ng  Năng lượng điện trường chứa thể tích v: ng v cu u du o  Đối với điện môi đẳng hướng, véc tơ cảm ứng điện:   D   o E We   v CuuDuongThanCong.com   E.Ddv https://fb.com/tailieudientucntt