Tóm tắt bài giảng Vật lý A1 - Chương 7: Vật dẫn-điện môi - Trần Anh Tú

Nội dung text: Tóm tắt bài giảng Vật lý A1 - Chương 7: Vật dẫn-điện môi - Trần Anh Tú

1. Tóm tắt bài giảng Vật lý A1 1 CHƯƠNG 7: VẬT DẪN – ĐIỆN MƠI A. VẬT DẪN Vật dẫn (kim loại) được cấu tạo bởi các nguyên tử có số điện tử ở lớp ngoài cùng nhỏ hơn 4 liên kết yếu với hạt nhân, dễ biến thành những điện tử tự do. Dưới tác dụng r của điện trường ngoài, E0 hay hiệu điện thế thì các điện tử tự do chịu tác dụng của lực r r điện FE = −e.E0 di chuyển ngược chiều với điện trường tạo thành dòng điện tử,nên kim loại dễ dẫn điện. 7.1 Vật dẫn cân bằng tĩnh điện 7.1.1 Điều kiện để vật dẫn cân bằng tĩnh điện a. Điện trường bên trong vật dẫn phải bằng 0 . r b. Điện trường E trên bề mặt vật dẫn phải luôn luôn vuông góc với bề mặt vật dẫn. r r r Et = 0 ⇒ E = En . 7.1.2 Tính chất a. Vật dẫn là một vật đẳng thế. −=dV E.0 dr =⇒= V hs b. Khi ta truyền cho vật dẫn 1 điện tích q thì toàn bộ điện tích này sẽ phân bố trên bề mặt vật dẫn (bên trong trung hòa). Nếu vật dẫn là mặt phẳng, mặt trụ, mặt cầu thì điện tích phân ⎛⎞Q bố đều trên bề mặt ⎜⎟σ = . Nếu bề mặt vật dẫn lồi lõm khác nhau thì điện tích tập trung ⎝⎠S nhiều ở phần lồi và hầu như không tích điện ở phần lõm. 7.2 Hiện tượng điện hưởng r 7.2.1 Định nghĩa E0 r Đặt thanh vật dẫn AB trung hòa trong điện trường E hoặc 0 -q +q Q r đặt gần vật tích điện Q >0 thì hai mặt A, B đối diện với điện A E ' B trường tích điện trái dấu -q và +q (gọi là điện tích cảm ứng) r Giải thích: các điện tử tự do trong vật dẫn dưới tác dụng của điện trường ngoài E0 sẽ chịu 1 r r lực FE di chuyển ngược chiều E0 , tích điện –q ở mặt A và +q ở mặt B r r Khi tích điện thì hai mặt A, B xuất hiện điện trường phụ E 'ngược chiều E0 . Điện trường tổng rr r hợp bên trong vật dẫn: E =+EE0 ' . Hiện tượng tích điện vật dẫn tiếp tục khi E 'chưa bằng ' E0 và tăng dần cho đến lúc E = E0 thì điện trường bên trong vật dẫn bằng 0. Ta có vật dẫn cân bằng tĩnh điện. 7.2.2 Phân loại a. Điện hưởng một phần: Khi vật dẫn AB không bao trùm hết vật tích điện Q thì ta có hiện tượng điện hưởng một phần, khi đó q<Q. ĐH Bách Khoa TP.HCM – Th.S TRẦN ANH TÚ 1
2. Tóm tắt bài giảng Vật lý A1 3 2 π εε l b.Tụ trụ: C = 0 R R R 2 ln 2 1 R1 DS 2 ==+ Dπ rl Q r 3 E QQ ⇒=DE ⇒= O 2 ππεεrl 2 0 lr r VRB QdrQ2 R UdVEdr=− = ln = = 2 ∫∫2 πεεlr ∫ 2 πεε l R VRA 0011 4 π εε RR . c.Tụ cầu: C = 012 RR21− QQ R2 +Q −Q DdS 4.==+⇒=⇒= Dπ r2 Q D E R r ∫ 22 1 E 4.ππεεrr 4 0 VRR O B QdrQ2 ⎛⎤1 2 r ⇒=−UdVEdr =. =2 =⎜ − ∫∫4.πε ε ∫rr 4 π ε ε ⎥ VRA 001 ⎝⎦R1 Q ⎛⎞RR− ⇔=U ⎜⎟21 4 πεε012⎝⎠RR . 7.5 Năng lượng điện trường 7.5.1 Năng lượng điện trường của hệ hai điện tích điểm: q1, q2. kq 12 q WW== Etε.r Chính là công của điện tích q2 di chuyển từ r ra vô cùng trong điện trường của q1, hay công người ta di chuyển điện tích q2 từ # đến r trong điện trường của q1 và hoán đổi ngược lại. 1111kq kq r 21 F 1 ⇔==WWEt q121122 + q = qVqV + 2.2.2ε rrε 2 V2 kq. 2 V1 = điện thế tại q1 do q2 gây ra. ε.r V1 q2 r kq. 1 V2 = điện thế tại q2 do q1 gây ra ε.r q1 r F 1 V 7.5.2 Năng lượng điện trường của hệ điện tích điểm (q1, q2, , qn): 2 n V q2 1 1 1 r WE = ∑ qi .Vi = ()q1.V1 + q2 .V2 + + qn .Vn 2 i=1 2 q1 V n Vi là điện thế tại qi do các điện tích khác qi gây ra. qn ĐH Bách Khoa TP.HCM – Th.S TRẦN ANH TÚ 3
3. Tóm tắt bài giảng Vật lý A1 5 Lưu ý: K.Q V = A R K.Q E A = 2 R K.Q V = M ()r>R r K.Q E = M r 2 * 2 vật được nối với nhau: K.Q VA = RA K.Q VB = RB Nối A, B: ' ' V A = VB ' ' K.Q K.Q B ⇔ A = RA RB ' ' Với: QA + QB = QA + QB ' QA RA Hay: ' = QB RB ĐH Bách Khoa TP.HCM – Th.S TRẦN ANH TÚ 5
4. Tóm tắt bài giảng Vật lý A1 7 c. Điện môi tinh thể: có cấu tạo mạng tinh thể ion dương và âm lồng vào nhau. Dưới tác dụng r r của điện trường ngoài E0 ,các mạng ion dương dịch chuyển theo chiều của E0 còn ion âm ngược chiều gây hiên tượng phân cực:sự phân cực ion. Đối với ba điện môi trên thì hiện tượng phân cực điện môi biến mất khi cắt điện trường ngoài. 7.7 Vectơ phân cực điện môi Điện trường trong chất điện môi. 7.7.1 Định nghĩa: Vectơ phân cực điện môi bằng tổng moment điện của các phân tử có trong một đơn vị thể tích r r pe khối địên môi: P = ∑ e ΔV r r * Đối với điện môi phân tử không phân cực và điện môi tinh thể pe ↑↑ E0 r n.pr r r P = e = n .pr = n .ε .α.E = ε .χ .E Với : n : mật độ phân tử e ΔV 0 e 0 0 0 e 0 χe = n0.:α hệ số phân cực của một đơn vị thể tích chất điện môi hay độ cảm điện môi. 2 np0. e 0 * Đối với điện môi phân tử phân cực: χe = (k: hằng số Bolzmann; T ( K)). 3 ε 0 kT r 7.7.2 Liên hệ giữa vectơ phân cực điện môi Pe và mật độ điện mặt của điện tích liên kết Mật độ điện tích mặt σ của các điện tích liên kết xuất hiện trên mặt phẳng giới hạn của khối điện môi: r PP==σ .cosα een 7.8 Điện trường trong chất điện môi. 7.8.1 Điện trường tổng hợp trong điện môi đồng nhất, đẳng hướng. r r r E Do hai bề mặt A, B trái dấu nên xuất hiện điện trường phụ E 'ngược chiều E0 , điện 0 r r rr' ⎛⎞' E0 trường tổng hợp bên trong chất điện môi E : E = EE0 + và ⎜⎟EE=−=0 E r ⎝⎠ε E r σ ' E ' Với σ ' ==PEEenεχ00 e n = εχ e ⇒ E '.==χe E ε 0 ' ⇒()E =−=−EEE00χee.(1) E ⇒=+ E 0χε E = E r r 7.8.2 Vectơ điện cảm D và vectơ phân cực điện môi Pe rrr * Đối với điện môi bất kỳ: D =+ε 0.EPe * Đối với điện môi đồng nhất, đẳng hướng: rr rr DE=+ε00 1εχee EE = ε 0() + χ rr với: ε = 1+ χ e hay: D= εε0 E ĐH Bách Khoa TP.HCM – Th.S TRẦN ANH TÚ 7