9.1. Vật dẫn trong điện trường9.1.1. Trạng thái cân bằng điện 9.1.1. Trạng thái cân bằng điện
Vật dẫn là các vật trong đó có các điện tích tự do. Nghĩa là những điện tích có thể di chuyển được bên trong vật những quãng đường lớn hơn khoảng cách giữa các phần tử rất nhiều lần.
Dù được tích điện bằng cách nào (hưởng ứng, cọ xát hay tiếp xúc) thì lúc đầu của quá trình tích điện cũng có sự di chuyển các điện tích tự do và tạo thành dòng điện trong vật dẫn. Tuy nhiên, dòng điện tồn tại trong khoảng thời gian rất ngắn. Khi trong vật dẫn không còn dòng điện nữa, người ta nói vật dẫn cân bằng tĩnh điện hay gọi tắt là cân bằng điện. Khi nói vật dẫn trong điện trường, ta hiểu ngầm rằng chỉ nói đến trường hợp vật dẫn cân bằng điện trong điện trường.[6]
9.1.2. Điện trường trong vật dẫn tích điện
Nếu điện trường trong vật dẫn khác không thì nó sẽ tác dụng lực lên các điện tích tự do gây ra dòng điện. Sự chuyển động định hướng của các điện tích tự do làm cho hai đầu của vật có các điện tích trái dấu, do đó trong vật xuất hiện điện trường phụ. Điện trường phụ này lớn dần và đến một lúc nào đó sẽ cân bằng điện trường ngoài. Khi ấy điện trường trong vật dẫn bằng không và sự chuyển động định hướng của các điện tích tự do chấm dứt. Ta nói vật dẫn cân bằng điện. Quá trình dẫn đến cân bằng điện chỉ diễn ra trong một khoảng thời gian rất ngắn. Vậy khi vật ở trạng thái cân bằng điện thì điện trường bên trong vật dẫn bằng không.[6]
Vì E = 0 r
thì V phải là hằng số. Phần thể tích bên trong vật dẫn cân bằng điện là một khối đẳng thế.[5]
Điện trường bên trong vật dẫn rỗng cũng bằng không nên điện thông gởi qua bất kỳ mặt kín nào vào trong vật dẫn cũng bằng không. Trong vật dẫn tổng đại số các điện tích bằng không. Nói cách khác, sự di chuyển của các điện tích tự do chỉ làm cho trên mặt ngoài của vật có sự phân bố lại điện tích, còn bên trong vật dẫn là ở trạng thái trung hoà. Khi đó một vật dẫn khác nằm trong vật rỗng sẽ không bị ảnh hưởng bởi điện trường bên ngoài. Như vậy vật dẫn rỗng có tác dụng như một màn bảo vệ, che chở cho các vật dẫn khác đặt bên trong nó khỏi bị ảnh hưởng bởi điện trường bên ngoài. Vì thế vật dẫn rỗng được gọi là màn chắn điện.
9.1.3. Điện trường trên mặt vật dẫn tích điện
Khi vật dẫn cân bằng điện thì chẳng những trong lòng vật dẫn mà cả trên mặt ngoài vật dẫn cũng không có sự chuyển động định hướng của các điện tích tự do. Điều đó chỉ có thể xảy ra khi thành
phần tiếp tuyến
→
t
E
của vectơ cường độ điện trường tại mọi điểm trên mặt vật dẫn phải bằng không.
Nếu
→
t
E ≠
0 thì trên mặt vật dẫn sẽ có sự chuyển dời có hướng của các electron tự do, do đó trái với điều kiện đã đặt ra là điện tích nằm cân bằng.
Cường độ điện trường tại một điểm trên mặt ngoài vật dẫn vuông góc với mặt vật dẫn.
Hình 9.1: Vectơ cường độ điện trường vuông góc với bề mặt vật dẫn
Khi vật dẫn cân bằng điện thì : Et = 0. Nếu gọi s là phương của đường tiếp tuyến với mặt ngoài
vật dẫn thì điều kiện Et = 0 cho ta
V 0 0 s ∂ − = ∂
, điều đó có nghĩa trên mặt ngoài vật dẫn điện thế có giá trị không đổi. Vậy vật dẫn là vật đẳng thế
9.1.4. Điện thế của vật dẫn tích điện
Thí nghiệm về điện thế ở mặt ngoài vật dẫn.
Điện thế tại mọi điểm trên mặt ngoài vật dẫn có giá trị bằng nhau.
Điện thế tại mọi điểm bên trong vật dẫn có giá trị bằng nhau.
Vậy khi vật dẫn cân bằng điện thì toàn bộ thể tích của vật, kể cả mặt ngoài của nó, là một khối đẳng thế.
9.1.5. Sự phân bố điện tích ở vật dẫn tích điện
Thí nghiệm về sự phân bố điện tích ở mặt ngoài vật dẫn
Hình 9.2: Thí nghiệm về điện thế ở mặt ngoài vật dẫn: