2. Quả cầu thử bằng kim loại 3. Tay cầm bằng nhựa 4. Điện nghiệm
9.1.6. Lực tác dụng lên mặt ngoài của vật dẫn mang điện
Khi tích điện cho một vật dẫn thì do tác dụng của lực Cu-lông các điện tích đẩy lẫn nhau. Vì vậy mặt ngoài của vật dẫn sẽ chịu tác dụng bởi lực đẩy tĩnh điện. Lực điện tác dụng lên mỗi đơn vị diện tích của mặt ngoài vật dẫn gọi là áp suất tĩnh điện.
Biểu thức của áp suất tĩnh điệnF
r tác dụng lên mặt ngoài vật dẫn có dạng: 2 0 σ F = n 2ε r r (9.1) Trong đó σ là mật độ điện tích, n r
là vectơ đơn vị pháp tuyến của mặt ngoài vật dẫn,
0 ε
là hằng số điện. Biểu thức trên chứng tỏ áp suất tĩnh điện bao giờ cũng hướng ra phía ngoài vật, nghĩa là có xu hướng làm cho mặt vật dẫn bị căng ra.[5]
Hình 9.4: Thí nghiệm về sự phân bố điện tích ở vật dẫn trong trường hợp mặt ngoài có chỗ lồi, chỗ lõm.
9.2. Điện môi trong điện trường
9.2.1. Khái niệm sự phân cực của điện môi
Sự xuất hiện các điện tích trên chất điện môi khi đặt nó vào điện trường gọi là sự phân cực của chất điện môi.
9.2.2. Giải thích sự phân cực của điện môi.
Ta có thể giải thích quá trình xuất hiện điện tích ở trên chất điện môi dựa vào cấu tạo phân tử của chất điện môi. Ở đây chỉ giới hạn nghiên cứu trường hợp chất điện môi đồng chất và đẳng hướng đặt trong điện trường đều. Chất điện môi đồng chất và đẳng hướng là chất điện môi trong đó các tính chất vật lý nói chung và sự phân cực nói riêng tại mọi điểm và theo mọi phương đều như nhau.
Ta xét một khối điện môi đặt trong một điện trường và lần lượt nghiên cứu quá trình phân cực của hai loại chất điện môi: điện môi có cực và điện môi không có cực.
Đối với điện môi có cực
Khi không có điện trường ngoài vật điện môi được cấu tạo bởi các phân tử có cực vẫn không phân cực vì các mômen lưỡng cực phân tử của vật hướng hoàn toàn hỗn độn.
Khi đặt điện môi vào điện trường ngoài, các lưỡng cực phân tử chịu tác dụng bởi ngẫu lực làm cho các lưỡng cực này có xu hướng định hướng song song với điện trường ngoài. Do đó vật điện môi bị phân cực.
Ví dụ: Khi mẩu điện môi có cực được đặt trong điện trường đều (ví dụ trong điện trường bên trong hai tấm kim loại phẳng rộng, song song tích điện trái dấu và bằng nhau) thì do sự phân cực mà các mặt ngoài của điện môi trở thành các mặt nhiễm điện.
Đối với điện môi không có cực.
Khi ta chưa đặt khối điện môi vào trong điện trường ngoài, các tâm điện tích dương và âm của các phân tử trùng nhau. Trong khối điện môi không có các lưỡng cực phân tử xuất hiện và trên mặt khối điện môi cũng không có các điện tích xuất hiện
Khi đặt điện môi trong điện trường ngoài, dưới tác dụng của điện trường thì các electron liên kết trong các nguyên tử bị xê dịch đi làm cho tâm điện tích dương và tâm điện tích âm của phân tử bị lệch nhau, khi đó các phân tử của điện môi sẽ trở thành các lưỡng cực. Các lưỡng cực này sắp xếp theo hướng của điện trường.
Ví dụ: Khi mẩu điện môi không cực được đặt trong điện trường đều, chẳng hạn đặt trong điện trường bên trong hai tấm kim loại phẳng rộng, song song tích điện trái dấu và bằng nhau, thì do sự phân cực mà các mặt ngoài của điện môi trở thành các mặt nhiễm điện như hình vẽ.
9.2.3. Nhận xét
Dù chất điện môi thuộc loại nào, khi đặt vào trong một điện trường ngoài thì ở trên hai mặt giới hạn của khối điện môi cũng xuất hiện các điện tích trái dấu. Các điện tích này đều là các điện tích liên kết, định xứ ở trên mặt giới hạn của khối điện môi. Đây là sự khác biệt căn bản giữa hiện tượng phân cực của chất điện môi với hiện tượng hưởng ứng điện trên các vật dẫn.
Các chất điện môi cấu tạo từ các phân tử không có cực có những đặc tính khá khác xa các chất điện môi cấu tạo từ các phân tử có cực. Các chất điện môi cấu tạo từ các phân tử không có cực thường có hằng số điện môi nhỏ hơn hằng số điện môi của các chất điện môi cấu tạo từ các phân tử có cực. Vì các lưỡng cực phân tử được tạo thành từ các phân tử không có cực do tác dụng của điện trường ngoài thường có mômen lưỡng cực nhỏ. Trong khi đó các chất điện môi cấu tạo từ các phân tử có cực đã có sẵn những mômen lưỡng cực khá lớn. Điện trường chỉ cần làm xoay hướng các mômen lưỡng cực đó.