BÀI GIẢNG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG - CHƯƠNG 2 VẬT DẪN pot

Bi giảng Vật lý đại cơng Tác giả: PGS TS Đỗ Ngọc Uấn Viện Vật lý kỹ thuật Trờng ĐH Bách khoa H nội Chơng II Vật dẫn Kim loại: hạt dẫn l điện tử tự Điều kiện cân tĩnh điện, Tính chất vật dẫn mang điện 1.1 Điều kiện cân tĩnh điện: Véc tơ cờng độ điện trờng vật dẫn r không: E tr = Thnh phần tiếp tuyến véc tơ cờng độ điện trờng bề mặt vật dÉn b»ngrkh«ng: r r E = En Et = 1.2 TÝnh chÊt cđa vËt dÉn mang ®iƯn M r E tr = x Vật dẫn l vật đẳng thÕ r r Nr r VM − VN = ∫ Ed s = ∫ E t d s = N M M N y Điện tích phân bố bề mặt vật dẫn bên vật dẫn ®iÖn tÝch b»ng r r r r r ∑ q i = ∫ D dS = v× D = ε εE = S z VÐc t¬ cờng độ điện trờng vuông góc với bề mặt vËt dÉn r 1.3 øng dơng E=0 Lång Faraday M¸y phát tĩnh điện WandeGraf Hiệu ứng mũi nhọn, gió điện: Giải phóng điện tích máy bay, phóng điện bảo vệ máy điện, cột thu lôi E qi S S q Hiện tợng điện hởng - - A lúc đầu không tích điện - + B tích điện âm đợc đa gần A - A + - B - + q l tợng điện tích cảm ứng xuất vật dẫn (lúc đầu không tích ®iƯn) ®Ỉt ®iƯn tr−êng ngoμi r r r r r E tr = E ng + E = r Φ e = ∫ D dS = Δ q + Δ q ' = S E ng Δq ' = − Δ q - r+ E0 + + | Δq |=| Δq ' | §L vỊ phtử tơng ứng: điện tích cảm ứng phtử tơng ứng có giá trị Điện hởng phần v điện hởng ton phần A mang điện tích, B chịu điện hởng + q + §iƯn h−ëng toμn phÇn q’= q ++ − +A + + + + Điện hởng phần q< q − − + Q V + R §iƯn dung cđa vËt dÉn c« lËp + q’ +B − − + Q~V => Q=CV Q C= C - HÖ sè tû lƯ gäi lμ ®iƯn dung V V=1 => C=Q có giá trị điện tích cần truyền cho vật để điện tăng thêm đơn vị 1Culong 1Fara = 1Von Cầu KL bán kính R, Q=1, V=1, C=1F 1 ⇒R= = 4πε ε 4π.8,86.10 −12 Q V= = 9.10 ( m ) R Gấp 1500 lần bán kính trái đất! Hệ vật dẫn tích điện cân bằng, tụ điện 4.1 Điện dung v hệ số điện + q- V1 + 1-h−ëng q2V2 + HÖ ba vËt dÉn 1, 2, 3: +2 + §iƯn tÝch q1, q2, q3 qV 3 Điện tơng ứng: V1, V2, V3 3+ - Cik ®èi xøng q1=C11V1+C12V2+C13V3 C11 C12 C13 Cik = C21 C22 C23 q2=C21V1+C22V2+C23V3 C31 C32 C33 q3=C31V1+C32V2+C33V3 Ci=k §iƯn dung; Cik hệ số điện hởng có tính tơng hỗ nên Cik = Cki Nếu có n vật dẫn i,k=1, 2, ,n 4.2 Tơ ®iƯn: Gåm hai vËt dÉn có S + q1 tơng tác điện hởng ton phần + − − + a TÝnh chÊt I: q1+q2=0 q +B − + + − r r ∫ D dS = q + q = S +A + − − + + −+ + − − q2’ + + + q1=C(V1-V2) b.TÝnh chÊt II: q2=-C(V1-V2) C lμ ®iƯn dung cđa tơ ®iƯn;q1>0 ,C>0=>V1>V2 Chøng minh: Nèi vá ngoμi B víi ®Êt q2’=0 : q1=C11V1+C12V2 q1=C11V1+C12V2 q2=C21V1+C22V2 -q1=C21V1+C22V2 (C11+C21)V1+(C12+C22)V2=0 C11=-C21 vμ C22=-C12 C11 =C22 = C vμ C21 = C12=-C U hiƯu ®iƯn c.TÝnh chÊt III: q = q1=- q2 q = C(V1-V2)=CU cực tụ a.Tụ điện phẳng .d U = V1 V2 = E.d = ε εS ε ε σ.d S Q.d ⇒C= U= = d ε ε S ε εS +Q + - -Q + d- S + + - b Tụ điện cầu Q 1 U = V1 − V2 = ( − ) πε ε R R Q ε ε πR R ⇒C= = U R − R1 c Tơ ®iƯn trơ R2 Q U = V1 − V2 = ln 2πε εl R Q ε ε πl ⇒C= = R2 U ln R R2 R1 V1 l R1 R2 V2 R − R1 d R − R1 R2 )≈ ln = ln(1 + = R1 R R1 R1 ε ε2πl.R ε εS ⇒C= = d d Điện dung C tụ điện ~ thuËn ε & S vμ ~ nghÞch d d Một số loại tụ điện sử dụng ãTụ điện không khí thay đổi đợc điện dung ãTụ điện giấy, Kim loại kim loại Giấy cách Giấy cách điệnđiện tụ dầu Kim loại Giấy cách điện ãTụ điện hoá (điện ph©n) - + Al C ~ 100μF, U ~ 40V, Phân cực Dung dịch loÃng bicabônat phốt phat Al2O3 cỡ 2m Năng lợng điện trờng 5.1 Năng lợng tơng tác hệ điện tích điểm q1q W= HƯ ®iƯn tÝch ®iĨm q1 vμ q2 4πε ε r q2 q1 1 r12 = r21 = r ⇒ W = q1 + q2 4πε εr21 4πε εr12 W = (q1V1 + q V2 ) HƯ n ®iƯn tÝch ®iÓm q1, q2 ,qn n W = (q1V1 + q V2 + + q n Vn ) = ∑ q i Vi 2 i =1 Năng lợng điện vật dẫn cô lËp tÝch ®iƯn 1 Chia vËt dÉn W = ∫ dqV = V ∫ dq = qV 2 thnh điểm q2 1 W = qV = CV = ®iƯn tÝch dq 2 C Năng lợng tụ điện HÖ n vËt dÉn cã q1, q2 ,qn n W = q i Vi v điện tơng øng V1, V2 ,Vn i=1 Tơ ®iƯn - hƯ vËt dÉn q1=- q2 W = (q1V1 + q V2 ) 1 W = q( V1 − V2 ) = qU 2 q2 1 W = qU = = CU C 2 5.4 Năng lợng điện trờng Tụ điện tích khoảng 2bản V=S.d εS d W= U = ε E V d d Mật độ lợng điện trờng: S C= d W ϖe = = ε εE ΔV Điện trờng mang lợng: lợng ny định xứ không gian điện trờng Mật độ lợng điện trờng điểm: 1D e = ε εE = = DE 2 Năng lợng điện trờng không gian V W = ∫ ϖ e dV = ∫ DEdV 2V V ... q2=-C(V1-V2) C lμ ®iƯn dung cđa tơ ®iƯn;q1>0 ,C>0=>V1>V2 Chøng minh: Nèi vá ngoμi B víi ®Êt q2’=0 : q1=C11V1+C12V2 q1=C11V1+C12V2 q2=C21V1+C22V2 -q1=C21V1+C22V2 (C11+C21)V1+(C 12+ C 22) V2=0 C11=-C21... q1=C11V1+C12V2+C13V3 C11 C 12 C13 Cik = C21 C 22 C23 q2=C21V1+C22V2+C23V3 C31 C 32 C33 q3=C31V1+C32V2+C33V3 Ci=k §iƯn dung; Ci≠k hƯ sè điện hởng có tính tơng hỗ nên Cik = Cki NÕu cã n vËt dÉn th× i,k=1, 2, ... (C11+C21)V1+(C 12+ C 22) V2=0 C11=-C21 vμ C 22= -C 12 C11 =C 22 = C vμ C21 = C 12= -C U hiƯu ®iƯn c.TÝnh chÊt III: q = q1 =- q2 thÕ q = C(V1-V2)=CU cực tụ a.Tụ điện ph¼ng σ.d U = V1 − V2 = E.d = ε εS ε ε σ.d S