Chương 12: Vật dẫn điện và chất điện môi

Trong vật dẫn các điện tích có thể dịch chuyển dưới tác dụng của điện trường. Nhưng về phương diện tĩnh điện, ta chỉ xét những điện tích nằm ở trạng thái cân bằng điện, tức là trạng thái

CHƯƠNG 12 VẬT DẪN ÐIỆN VÀ CHẤT ÐIỆN MÔI I II III IV V VI VII VẬT DẪN TRONG ÐIỀU KIỆN CÂN BẰNG TĨNH ÐIỆN Ðiều kiện cân tĩnh điện vật dẫn mang điện Các tính chất vật dẫn cân tĩnh điện VẬT DẪN ÐẶT TRONG ÐIỆN TRƯỜNG Hiện tượng điện hưởng Màn điện SỰ PHÂN CỰC CỦA CHẤT ÐIỆN MÔI Khái niệm Giải thích tượng phân cực ÐIỆN TRƯỜNG TRONG CHẤT ÐIỆN MÔI ÐIỆN MÔI SÉCNHÉT- HIỆU ỨNG ÁP ÐIỆN Ðiện môi Sécnhét Hiệu ứng áp điện ÐIỆN DUNG CỦA CÁC VẬT DẪN Ðịnh nghĩa Ðiện dung tụ điện Các loại tụ điện thường dùng NĂNG LƯỢNG ÐIỆN TRƯỜNG Năng lượng tụ điện Năng lượng trường tĩnh điện I VẬT DẪN TRONG ÐIỀU KIỆN CÂN BẰNG TĨNH ÐIỆN Ðiều kiện cân tĩnh điện vật dẫn mang điện TOP Trong vật dẫn điện tích dịch chuyển tác dụng điện trường Nhưng phương diện tĩnh điện, ta xét điện tích nằm trạng thái cân điện, tức trạng thái điện tích đứng yên Ðiều kiện cân tĩnh điện vật dẫn mang điện tích điện trường bên vật dẫn phải khơng Thực vậy, điện trường khác khơng tác dụng điện trường này, điện tích dịch chuyển, cân tĩnh điện bị phá huỷ Các tính chất vật dẫn cân tĩnh điện a Ðối với vật dẫn cân tĩnh diện, điện tích tập trung mặt vật dẫn TOP b Ðiện trường mặt vật dẫn phải có phương vng góc với mặt vật dẫn điểm c Vật dẫn cân tĩnh điện vật đẳng Ðiểm lấy vật dẫn Do ta kết luận điểm vật dẫn cân tĩnh điện có điện Nói cách khác: Vật dẫn cân tĩnh điện vật đẳng Trong phần ta biết điện phân bố mặt vật dẫn Nhưng thực nghiệm lý thuyết chứng tỏ phân bố điện tích mặt phụ thuộc vào hình dạng vật dẫn Chỉ có vật dẫn có dạng hình cầu hay mặt phẳng, điện tích phân bố mặt Còn vật dẫn có hình dạng khác điện tích phân bố không mặt Nơi lồi nhiều, mật độ điện tích lớn, đặc biệt mũi nhọn vật dẫn, điện tích tập trung nhiều Ðiện trường điện tích gây vùng xung quanh sát với mũi nhọn lớn Dưới tác dụng điện trường này, lớp không khí gần sát mũi nhọn bị iơn hóa Các phần tử mang điện tích khác dấu với điện tích mũi nhọn dần bị trung hịa Cịn phần tử mang điện dấu với điện tích mũi nhọn bị mũi nhọn đẩy bật xa, lơi kéo theo khơng khí tạo thành luồng gió gọi gió điện (Hình 12.4) Do hiệu ứng mũi nhọn, vật dẫn điện tích Vì để tránh hao hụt điện máy móc, đầu vật dẫn thường làm tròn Ngược lại nhiều người ta lợi dụng hiệu ứng Ví dụ: máy bay bay vào đám mây thường bị tích điện Do điện máy bay thay đổi, ảnh hương xấu đến việc sử dụng thiết bị vô tuyến điện máy bay II VẬT DẪN ÐẶT TRONG ÐIỆN TRƯỜNG Hiện tượng điện hưởng TOP Hiện tượng vật dẫn trung hồ điện trở thành tích điện ảnh hưởng vật mang điện, gọi tượng điện hưởng Người ta phân biệt hai trường hợp điện hưởng: a) Trường hợp điện hưởng phần Ðó trường hợp vật dẫn trung hồ điện khơng bao kín vật mang điện Trong trường hợp có phần đường sức vật mang điện gặp phần vật dẫn chịu ảnh hưởng Nếu gọi điện tích vật mang điện C +q điện tích xuất đầu A vật chịu ảnh hưởng điện -q', đầu B +q' Thực nghiệm lý thuyết xác nhận Khi dịch chuyển điện tích vật dẫn AB dừng lại, hai đầu A B vật dẫn xuất điện tích q' +q' Nếu vật dẫn rổng người ta chứng minh điện trường lỗ vật dẫn không dù vật dẫn đặt điện trường ngồi (Hình 12.8) b) Trường hợp điện hưởng tồn phần Ðó trường hợp vật dẫn trung hồ điện A bao bọc hoàn toàn vật mang điện C (Hình 12.9) Khi vật mang điện có điện tích +q mặt A vật dẫn bao bọc xuất điện tích q Mặt ngồi B vật dẫn xuất điện tích +q' Vì trường hợp điện hưởng toàn phần nên: Trong trường hợp này, tất đường sức xuất phát từ vật mang điện đến gặp vật dẫn bao bọc Màn điện TOP Giả sử có vật dẫn rỗng B đặt gần vật mang điện C (Hình 12.10) Như trên, người ta chứng minh điện trường phần rỗng không Nếu phần rỗng vật B có đặt vật A vật A khơng chịu ảnh hưởng điện vật C Nói cách khác, vật dẫn rỗng B có tác dụng che chở cho vật A khỏi bị ảnh hưởng điện trường vật mang điện bên Vật dẫn rỗng B gọi điện Màn điện có nhiều ứng dụng Các máy tĩnh điện thường đặt vỏ kim loại để tránh ảnh hưởng điện bên ngồi Vỏ kim loại giữ vai trị điện Các đèn điện tử, dây điện thoại, dây micrơ bọc ngồi lưới thép Lưới thép có tác dụng điện giữ cho chế độ làm việc đèn dòng điện chạy dây ổn định, không bị nhiễu ảnh hưởng điện bên Ðể giữ cho điện không đổi, người ta nối điện với đất Nếu điện có điện tích điện tích theo dây dẫn truyền xuống đất Dây nối với đất gọi dây "mass" III SỰ PHÂN CỰC CỦA CHẤT ÐIỆN MÔI Khái niệm TOP Khác với chất dẫn điện, chất điện mơi khơng có điện tích tự Chúng dẫn điện Tuy nhiên ta đặt điện môi, êbônit chẳng hạn, vào điện trường đủ lớn hai đầu xuất điện tích Hiện tượng gọi tượng phân cực điện mơi Hiện tượng bề ngồi giống trường hợp ta đặt vật dẫn vào điện trường Nhưng q trình xuất điện tích hai đầu êbônit điện trường bên chất điện mơi có bị triệt tiêu trường hợp vật dẫn khơng, vấn đề giải Giải thích tượng TOP a) Lưỡng cực phân tử Ta biết phân tử chất điện môi gồm hai phần: phần gồm hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương phần cịn lại êlectrơn mang điện tích âm quay quanh hạt nhân Bình thường, phân tử chất điện mơi trung hồ điện Về phương diện điện, ta thay phần điện tích âm êlectrơn điện tích q đặt trọng tâm điện tích âm O_ thay phần điện tích dương hạt nhân điện tích +q đặt tâm điện tích dương O+ Do phân bố êlectrôn quanh hạt nhân người ta chia chất điện môi làm hai loại: loại có êlectrơn phân bố khơng đối xứng quanh hạt nhân Ðối với loại này, trọng tâm điện tích âm O_ trọng tâm điện tớch dng O+ cỏch mt on (Hỗnh 12.11a) Nhổ váûy mäùi phán tỉí ca cháút âiãûn mäi cọ thãø coi mäüt lỉåỵng cỉûc điện gọi lưỡng cực phân tử có mơmen lưỡng cựcĠ VectơĠ hướng từ O_ đến O+ Phân tử loại gọi phân tử tự phân cực Ðó trường hợp chất điện môi H2O,Ġ (nguyên chất) Loại phân tử thứ hai có êlectrơn phân bố đối xứng quanh hạt nhân Khi trọng tâm điện tích âm O_ trọng tâm điện tích dương O+ trùng Phân tử không trở thành lưỡng cực điện gọi phân tử khơng tự phân cực Ðó trường hợp chất điện mơi (Hình 12.11b) khí Ta giải thích q trình xuất điện tích chất điện mơi dựa vào cấu tạo phân tử chất điện môi Ở giới hạn nghiên cứu trường hợp chất điện môi đồng chất đẳng hướng Chất điện môi đồng chất đẳng hướng chất điện mơi tính chất vật lý nói chung phân cực nói riêng điểm theo phương b) Giải thích tượng phân cực Ta xét khối điện môi đặt điện trường nghiên cứu trình phân cực hai loại chất điện môi kể Loại chất điện mơi có phân tử tự phân cực: Ðối với loại này, ta chưa đặt khối điện môi vào điện trường, lưỡng cực phân tử chuyển động nhiệt nên xếp hổn loạn theo phương (Hình 12.12) Do tổng vectơ mơmen lưỡng cực phân tử không, khối điện môi không xuất điện tích Như có điện tích trái dấu xuất hai mặt giới hạn trước sau khối điện môi Mặt điện trường ngồi vào tích điện âm, mặt điện trường ngồi tích điện dương Chất điện mơi bị phân cực (Trên hình vẽ 12.13, 12.14, 12.16 điện trường ngoàiĠhướng từ trái sang phải) Loại chất điện mơi có phân tử khơng tự phân cực Ðối với loại này, ta chưa đặt khối điện mơi vào điện trường ngồi, trọng tâm điện tích dương âm phân tử trùng Trong khối điện mơi khơng có lưỡng cực phân tử xuất mặt khối điện môi khơng có điện tích xuất (Hình 12.15) Kết luận: Dù chất điện môi thuộc loại nào, đặt vào điện trường ngồi hai mặt giới hạn khối điện môi xuất điện tích trái dấu Các điện tích điện tích liên kết, định xứ mặt giới hạn khối điện môi Tuỳ theo chất điện mơi, điện tích lưỡng cực phân tử lớn hay nhỏ tuỳ thuộc theo cường độ điện trườngĠbên lưỡng cực phân tử quay hướng nhiều hay Vậy mức độ phân cực chất điện môi phụ thuộc vào chất chất điện môi cường độ điện trường bên ngồi c Vectơ phân cực điện mơi Ðể đặc trưng cho mức độ phân cực chất điện môi, người ta đưa khái niệm vectơ phân cực điện môi Vectơ phân cực điện môiĠbằng tổng vectơ mômen lưỡng cực điệnĠcủa phân tử có đơn vị thể tích chất điện mơi Chúng ta xét thể tích V khối điện mơi bị phân cực Thể tích phải lớn nhiều so với kích thước phân tử để chứa số lớn phân tử Từ định nghĩa véc tơ phân cực, ta viết: IV ÐIỆN TRƯỜNG TRONG CHẤT ÐIỆN MÔI TOP V ÐIỆN MƠI SÉCNHÉT- HIỆU ỨNG ÁP ÐIỆN Ðiện mơi Sécnhét TOP a) Trong khoảng nhiệt độ số điện mơi chúng có giá trị lớn vào khoảng 10000 b) Hằng số điện môi phụ thuộc vào cường độ điện trường chất điện môi c) Sau bỏ điện trường đi, chất muối cịn bị phân cực Hiện tượng gọi tượng điện trễ d) Vượt nhiệt độ Tc (phụ thuộc vào chất muối Sécnhét) muối Sécnhét hết đặc tính trở thành chất điện môi thường Nhiệt độ Tc gọi nhiệt độ Curie Hiện muối Sécnhét có nhiều ứng dụng kỹ thuật Vì có số điện môi lớn nên ứng dụng quan trọng muối Sécnhét dùng để chế tạo tụ điện có điện dung lớn kích thước lại nhỏ, tiện dùng Hiệu ứng áp điện TOP a Hiệu ứng áp điện thuận biến dạng, trước nén sau giãn ngược lại điện tích xuất hai mặt đổi dấu Do điện tích trái dấu xuất nên hai mặt có hiệu điện Nếu gắn vào hai mặt hai kim loại nối lại dây dẫn dây có dịng điện chạy Hiệu ứng áp điện thuận dùng để chuyển đại lượng học (như lực tác dụng) thành nguồn phát siêu âm VI ÐIỆN DUNG CỦA CÁC VẬT DẪN Ðịnh nghĩa TOP Giả sử có vật dẫn cô lập (nghĩa vật không tương tác điện với vật khác) Ta tích cho vật điện tích Q điện vật V Thực nghiệm chứng tỏ điện tích Q vật dẫn lập tỷ lệ với điện V nó: Q = CV (12.19) C hệ số tỷ lệ phụ thuộc hình dạng, kích thước vật dẫn lập gọi điện dung vật dẫn Trong cơng thức trên, ta nhận thấy Q = C V = Vol Vậy điện dung vật dẫn cô lập đại lượng vật lý, trị số điện tích mà vật dẫn tích điện đưa từ đến Vol 2 Ðiện dung tụ điện TOP a.Tụ điện : Tụ điện định nghĩa hệ thống hai vật dẫn cô lập điều kiện hưởng ứng điện tồn phần (Hình 12.20) Vậy Fara điện dung tụ điện có điện lượng Culơng hiệu điện hai Vol Các loại tụ điện thường dùng a Tụ điện phẳng: TOP Như vậy, hai có chứa chất điện mơi có số điện mơi ( điện dung tụ điện tăng lên ( lần so với hai chân không hay khơng khí Từ biểu thức điện dung ta nhận thấy muốn cho điện dung C tụ điện lớn diện tích S hai phải lớn khoảng cách d hai phải nhỏ Nhưng tụ điện chịu hiệu điện định; Vượt hiệu điện đó, xảy tượng phóng điện hai tụ điện Tụ điện bị hỏng Do để tăng điện dung C ta giảm khoảng cách d hai Hiệu điện lớn mà tụ điện chịu gọi hiệu điện xuyên thủng Với chất điện môi secnhét chất có số điện mơi ( lớn ta khơng cần phải tăng diện tích S giảm khoảng cách d nhiều mà điện dung tụ điện lớn VII.NĂNG LƯỢNG ÐIỆN TRƯỜNG Năng lượng tụ điện TOP Năng lượng trường tĩnh điện TOP a Trường hợp điện trường đều: Thực nghiệm xác nhận rằng, lượng tụ điện định xứ khoảng khơng gian có điện trường hai tụ điện Mà điện trường, ta biết, dạng vật chất Nó có lượng W coi lượng trường tĩnh điện Ta biểu diễn lượng W qua điện trường E hai tụ điện Thực vậy, gọi d khoảng cách hai ta có: b Trường hợp điện trường Biểu thức lượng (12.29) tìm cho điện trường hai tụ điện phẳng Trong trường hợp điện trường bất kỳ, ta chia thể tích V thành vơ số phần tử thể tích dV vơ nhỏ cho điện trường coi Năng lượng điện trường phần tử thể tích có giá trị bằng: TRỌNG TÂM ÔN TẬP ***&&&*** Ðiều kiện tính chất vật dẫn trạng thái cân tĩnh điện Giải thích tượng điện hưởng - Ðiện hưởng toàn phần - Ðiện hưởng phần Màn chắn tĩnh điện Phân tử tự phân cực phân tử không tự phân cực Giải thích phân cực chất điện mơi Ðiện trường chất điện môi Hiện tượng áp điện thuận điện thuận nghịch Ðiện dung - Tụ điện - Năng lượng tụ điện CÂU HỎI ĐIỀN THÊM ***&&&*** Vật dẫn vật đẳng Khi điện trường vật dẫn khơng phân bố điện tích Mơi trường có số điện mơi lớn véc tơ cường độ điện trường Thạch anh bị áp điện hai mặt Sự điện hưởng khác chất với phân cực điện mơi Muốn chế tạo tụ điện phẳng có điện dung lớn ta chọn Năng lượng điện trường nhận biết qua mà BÀI TẬP ***&&&*** PHÂN TÍCH NHỮNG CÂU PHÁT BIỂU ĐÚNG SAI ***@@@*** Gió điện tượng phân cực khơng khí Trong tượng điện hưởng, di chuyển điện tích vật trung hịa chấm dứt mà điện điểm bên vật Ðiện trường bên vật dẫn rỗng có phương vng góc với bề mặt 4 Một số chất tiếp tục bị phân cực cách ly với điện trường ngồi Muốn cho hệ tụ điện ghép có điện dung tương đương lớn ta ghép nối tiếp Với hai mơi trường có số điện môi khác Mật độ lượng điện trường qua hai mơi trường Hai tụ điện phẳng có điện tích Tụ có khoảng cách hai lớn lượng lớn CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM ***&&&*** Tìm câu phát biểu sai vật dẫn trạng thái cân tĩnh điện: a) Ðó vật đẳng b) Ðiện tích phân bố mặt ngồi vật c) Ðiện tích dịch chuyển mặt ngồi vật d) Sự phân bố điện tích vật dẫn không e) Ðiện trường bên không Chà sát Nylon nhiều lần đặt gần giấy vụn hút giấy vụn là: a) Hiện tượng điện hưởng b) Hiện tượng Ion hóa c) Hiện tượng phân cực chất điện môi d) Hiện tượng áp điện Hai tụ điện lúc đầu tích điện khơng giống sau nối tiếp qua nguồn pin U Tìm câu phát biểu câu sau đây: a) Hiệu điện hai đầu tụ điện b) Ðiện tích tụ điện c) Tụ có điện dung lớn tích điện lớn d) Tụ có điện dung lớn có hiệu điện hai đầu lớn e) Năng lượng dự trữ tụ điện Một tụ điện bên khơng khí tích điện với điện tích Q Nếu thay lớp điện mơi hai thì: a) Hiệu điện hai giảm xuống lần b) Hiệu điện hai tăng lên lần c) Ðiện tích hai giảm xuống lần d) Ðiện tích hai tăng lên lần e) Khơng có câu ... mặt vật dẫn phải có phương vng góc với mặt vật dẫn điểm c Vật dẫn cân tĩnh điện vật đẳng Ðiểm lấy vật dẫn Do ta kết luận điểm vật dẫn cân tĩnh điện có điện Nói cách khác: Vật dẫn cân tĩnh điện vật. .. cực chất điện môi phụ thuộc vào chất chất điện môi cường độ điện trường bên c Vectơ phân cực điện môi Ðể đặc trưng cho mức độ phân cực chất điện môi, người ta đưa khái niệm vectơ phân cực điện môi. .. chất điện môi Ðiện trường chất điện môi Hiện tượng áp điện thuận điện thuận nghịch Ðiện dung - Tụ điện - Năng lượng tụ điện CÂU HỎI ĐIỀN THÊM ***&&&*** Vật dẫn vật đẳng Khi điện trường vật dẫn