Bài giảng vật lý đại cương 2 chuyên đề vật dẫn

BÀI GI NG V T LÝ Đ I C Ả Ậ Ạ ƯƠ NG 2

Chuyên đ : ề

(Đ  ể download tài li u này, hãy đăng nh p ệ ậ

vào di n đànễ  c a trang web ủ champhay.com)

Th.S Đ  Qu c Huy ỗ ố

MỤC TIÊU Sau khi h c xong ch ọ ươ ng này , SV phải :

– Nêu đ ượ c các tính ch t c a v t d n cân  ấ ủ ậ ẫ

b ng  tĩnh  đi n;  hi n  t ằ ệ ệ ượ ng  đi n  h ệ ưở ng 

và  ng d ng c a hi n t ứ ụ ủ ệ ượ ng đi n h ệ ưở ng.

– Tính đ ượ c đi n dung c a v t d n cô l p  ệ ủ ậ ẫ ậ

và đi n dung c a các lo i t  đi n ệ ủ ạ ụ ệ

– Tính đ ượ c năng l ượ ng đi n tr ệ ườ ng.

NỘI DUNG

I – V t d n cân b ng tĩnh đi n ậ ẫ ằ ệ

II – Hi n t ệ ượ ng đi n h ệ ưở ng

III – Đi n dung c a v t d n cô l p ệ ủ ậ ẫ ậ

IV – T  đi n, đi n dung c a t  đi n ụ ệ ệ ủ ụ ệ

V – Năng l ượ ng đi n tr ệ ườ ng.

I – VẬT DẪN CÂN BẰNG TĨNH ĐIỆN:

1 – Khái ni m v  v t d n, v t d n cân b ng tĩnh ệ ề ậ ẫ ậ ẫ ằ

đi n:ệ

V t d nậ ẫ  là v t ậ có các h t mang đi n t  doạ ệ ự  Các h t ạ

này  có  th   chuy n  đ ng  kh p  m i  đi m  trong  v t ể ể ộ ắ ọ ể ậ

d n.ẫ

Trong ph m vi h p,ạ ẹ   v t d n là các v t kim lo i ậ ẫ ậ ạ

Khi  tích  đi n  cho  v t  d n  ho c  đ t  v t  d n  trong ệ ậ ẫ ặ ặ ậ ẫ

đi n trệ ường tĩnh, các đi n tích s  d ch chuy n trong ệ ẽ ị ể

v t d n và nhanh chóng đ t đ n tr ng thái ậ ẫ ạ ế ạ ổn đ nh, ị

không  chuy n  đ ng  có  hể ộ ướng  n aữ  –  ta  nói  v t  d n ậ ẫ

đang   tr ng thái ở ạ cân b ng tĩnh đi nằ ệ  

I – VẬT DẪN CÂN BẰNG TĨNH ĐIỆN:

2 – Tính ch t c a v t d n cân b ng tĩnh đi n: ấ ủ ậ ẫ ằ ệ

trong

a) Trong lòng v t d n không có ậ ẫ

đi n trệ ường (Etrong = 0). 

c)  M t  ngoài  c a  v t  d n,  vect  ặ ủ ậ ẫ ơ

cường  đ   đi n  trộ ệ ường  luôn  vuông  góc v i b  m t v t d nớ ề ặ ậ ẫ  

b)  Toàn  v t  d n  là  m t  kh i  đ ng ậ ẫ ộ ố ẳ

th  ế

d)  N u  v t  d n  tích  đi n  thì  đi n ế ậ ẫ ệ ệ

tích ch  phân b    m t ngoài c a v t ỉ ố ở ặ ủ ậ

d n và t p trung t i các mũi nh n.ẫ ậ ạ ọ

H   qu :ệ ả  v t  d n  r ng    tr ng  thái  cân ậ ẫ ỗ ở ạ

b ng  tĩnh  đi n  thì    ph n  r ng  và  thành ằ ệ ở ầ ỗ trong  c a  v t  không  có  đi n  trủ ậ ệ ường  và 

đi n tích.ệ

3 – Hi u  ng mũi nh n:ệ ứ ọ

S  phân b  đi n tích trên m t v t d n ph  thu c vào hình d ng  ự ố ệ ặ ậ ẫ ụ ộ ạ

c a b  m t v t d n. Nh ng v t d n có d ng  ủ ề ặ ậ ẫ ữ ậ ẫ ạ m t c u, m t tr  ặ ầ ặ ụ

dài vô h n, m t ph ng r ng vô h n thì đi n tích phân b  đ u.ạ ặ ẳ ộ ạ ệ ố ề  

Nh ng v t d n có hình d ng b t kì thì đi n tích t p trung  ữ ậ ẫ ạ ấ ệ ậ nhi u t i các ch  l i ra ề ạ ỗ ồ  T i các mũi nh n, m t đ  đi n ạ ọ ậ ộ ệ

tích  r t  l nấ ớ ,  t o  nên  đi n  tr ạ ệ ườ ng  r t  m nh.  Đi n  tr ấ ạ ệ ườ ng  này  làm  m t  s   ion  và  electron  có  s n  trong  khí  quy n  ộ ố ẵ ể chuy n  đ ng,  va  ch m  v i  các  phân  t   khí,  gây  ra  hiên  ể ộ ạ ớ ử

t ượ ng  ion  hóa,  sinh  ra  r t  nhi u  h t  mang  đi n.  Các  h t  ấ ề ạ ệ ạ mang  đi n  trái  d u  v i  đi n  tích  c a  mũi  nh n  s   b   mũi  ệ ấ ớ ệ ủ ọ ẽ ị

nh n  hút  vào,  và do  đó  đi n tích c a  mũi nh n gi m  d n.  ọ ệ ủ ọ ả ầ Các h t mang đi n trái d u v i đi n tích c a mũi nh n s  b   ạ ệ ấ ớ ệ ủ ọ ẽ ị

đ y  ra  xa  mũi  nh n  và  chúng  kéo  theo  các  phân  t   khí  ẩ ọ ử chuy n  đ ng,  t o  thành  lu ng  ể ộ ạ ồ gió  đi n ệ  Hi n  t ệ ượ ng  mũi 

nh n b  m t d n đi n tích và t o thành gió đi n đ ọ ị ấ ầ ệ ạ ệ ượ c g i là  ọ

hi u  ng mũi nh n ệ ứ ọ .  

II – HI N T Ệ ƯỢ NG ĐI N H Ệ ƯỞ NG

 B A

+

–

–

– –

–

––

+

+

+

+

+

Hi n t ệ ượ ng xu t hi n các đi n tích ấ ệ ệ

c m  ngả ứ  trên v t  d n  khi  đ t v t  d n  ậ ẫ ặ ậ ẫ trong  đi n  tr ệ ườ ng  ngoài  đ ượ c  g i  là ọ

hi n  tệ ượng  đi n  hệ ưởng  (hay 

hưởng  ng đi n) ứ ệ

Đi n ệ

hưởng  toàn 

ph nầ

M i đọ ường s c ứ

c a A đ u t i Bủ ề ớ

Đ  l n c a đi n tích ộ ớ ủ ệ

c m  ng luôn b ng ả ứ ằ

v i đ  l n c a đi n ớ ộ ớ ủ ệ

tích trên v t mang ậ

đi n ệ

III – ĐIỆN DUNG CỦA VẬT DẪN CÔ LẬP:

M t v t d n độ ậ ẫ ược g i là ọ cô l p v  đi nậ ề ệ  n u g n nó ế ầ

không có v t nào khác có th  gây  nh hậ ể ả ưởng đ n s  ế ự

phân b  đi n tích trên b  m t c a nó.ố ệ ề ặ ủ

Đi n dung c a v t d n cô l p là đ i lệ ủ ậ ẫ ậ ạ ượng đ c tr ng ặ ư cho kh  năng tích đi n c a v t d n   m t đi n th  ả ệ ủ ậ ẫ ở ộ ệ ế

nh t đ nh,ấ ị  có giá tr  b ng đi n tích mà v t d n tích ị ằ ệ ậ ẫ

được khi đi n th  c a nó là m t đ n v  đi n th  ệ ế ủ ộ ơ ị ệ ế

V

Q

C 1  F (micrô fara) = 10 1 nF (nanô fara) = 10 – 9– 6 F F

1pF (picô fara) = 10  – 12  F

Đ n vi đo đi n dung là  ơ ệ F  (fara)

IV – TỤ ĐIỆN, ĐIỆN DUNG CỦA TỤ ĐIỆN:

1 – T  đi n:ụ ệ

H  hai v t d n đ t g n nhau sao cho gi a chúng luôn ệ ậ ẫ ặ ầ ữ

x y ra hi n tả ệ ưởng đi n hệ ưởng toàn ph nầ  Hai v t ậ

d n đó đẫ ược g i là ọ hai b nả  (hay hai c t) c a t  đi n.ố ủ ụ ệ

Các lo i t  ạ ụ

đi n:ệ

2 – Đi n dung c a đi n:ệ ủ ệ

Là đ i lạ ượng đ c tr ng cho kh  năng tích đi n c a ặ ư ả ệ ủ

t   đi n    m t  hi u  đi n  th   nh t  đ nh,ụ ệ ở ộ ệ ệ ế ấ ị  đo  b ng ằ

thương s  gi a đi n tích c a t  đi n v i hi u đi n ố ữ ệ ủ ụ ệ ớ ệ ệ

th  gi a hai b n t ế ữ ả ụ

Q C

U

=

0S C

d

εε

=

T  ụ

ph ngẳ

0 1 2

C

πεε

=

−

T  c uụ ầ

0 2 1

C

R

R

πεε

=

T  Trụ ụ

3 – Ghép t  đi n:ụ ệ

i i

i

i i

Q Q

=

=

=

Ghép n i ti pố ế Ghép song song

i i

i i

i

U U

=

=

=

Ghép nối tiếp

C giảm

Ghép song song C tăng

V – NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TRƯỜNG:

1 – Năng lượng c a t  đi n:ủ ụ ệ

Dùng ngu n đi n n p đi n tích vào hai b n c a m t t  đi n ồ ệ ạ ệ ả ủ ộ ụ ệ

có đi n dung C. Ban đ u, t  đi n ch a tích đi n và hi u đi n ệ ầ ụ ệ ư ệ ệ ệ

th  gi a hai b n t  b ng không.   th i đi m t, đi n th  gi a ế ữ ả ụ ằ Ở ờ ể ệ ế ữ

hai b n t  là u và đi n tích c a t  là q. Trong th i gian dt ti p ả ụ ệ ủ ụ ờ ế

theo, ngu n đ a thêm di n tích dq đ n t  Vì dq r t nh  nên ồ ư ệ ế ụ ấ ỏ

u coi nh  không đ i và công c a ngu n là dA = udq = Cudu. ư ổ ủ ồ

Công toàn ph n đ  n p đi n cho t  đ n khi hi u đi n th  U ầ ể ạ ệ ụ ế ệ ệ ế

2

1

A dA C udu CU

2

Công này chuy n hóa thành năng lể ượng c a t  đi n. ủ ụ ệ

V y, năng lậ ượng c a t  đi n là:ủ ụ ệ 1 2 1 Q2 1

2 2 C 2

2 – Năng lượng đi n trệ ường:

Xét năng lượng c a m t t  đi n ph ng:ủ ộ ụ ệ ẳ

Năng lượng c a t  đi n đ nh x  trong vùng không gian có ủ ụ ệ ị ứ

đi n trệ ường. V yậ   n i nào có đi n tr ơ ệ ườ ng  thì n i đó có  ơ

năng l ượ ng. Đi n trệ ường có mang năng lượng – đó là 

m t b ng ch ng ch ng t  ộ ằ ứ ứ ỏ đi n tr ệ ườ ng là m t d ng v t  ộ ạ ậ

ch t ấ  

Đ t: ặ E 1 oE2

2

ω = εε g i là m t đ  năng lọ ặ ộ ượng đi n ệ

trường. 

Thì năng lượng đi n trệ ường đ u trong th  tích ề ể  là: W = ω τE

T ng quát:ổ E

( )

τ

= ω τ

BÀI T P 3.1Ậ

Tính đi n dung c a m t v t d n hình c u, cô lâp v  ệ ủ ộ ậ ẫ ầ ề

đi nệ

Tích đi n Q cho qu  c u thì đi n ệ ả ầ ệ

th  t i M bên ngoài qu  c u là:ế ạ ả ầ

R

M r

kQ V

r

= ε

Suy ra, đi n dung c a qu  c u là:ệ ủ ả ầ

Q R C

V k

ε

Qu  c u có đi n dung 1F thì ph i có bán kính 9.10ả ầ ệ ả 9 m!

BÀI T P 3.2Ậ

Ch ng minh công th c tính đi n dung c a t  đi n ph ngứ ứ ệ ủ ụ ệ ẳ

d

+ + + + + + + +

­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ 

Ta bi t, đi n th  t i m t đi m ế ệ ế ạ ộ ể

trong lòng t  đi n là:ụ ệ

d + -

x M

M

0

x

V = σ

εε

Suy ra, hđt g a 2 b n t  đi n ữ ả ụ ệ

là:

d Qd

S

σ

V y đi n dung c a t  đi n ph ng ậ ệ ủ ụ ệ ẳ

là:

0

C

εε

BÀI T P 3.3Ậ

Ch ng minh công th c tính đi n dung c a t  đi n trứ ứ ệ ủ ụ ệ ụ

Ta bi t, đi n th  t i đi m M gi a 2 b n t  đi n ế ệ ế ạ ể ữ ả ụ ệ

là:

2

V ln

h r

= ε

Suy ra, hđt gi a 2 b n t  đi n là:ữ ả ụ ệ

2 1

2kQ R

U V V ln

h R

ε

0

Q h 2 h

U 2k.ln ln

R R

BÀI T P 3.4Ậ

Ch ng minh công th c tính đi n dung c a t  đi n c uứ ứ ệ ủ ụ ệ ầ

Ta bi t, đi n th  t i đi m M gi a 2 b n t  ế ệ ế ạ ể ữ ả ụ

đi n là:ệ

M

Suy ra, hi u đi n th  gi a 2 b n t  đi n là:ệ ệ ế ữ ả ụ ệ

V y đi n dung c a t  đi n c u là:ậ ệ ủ ụ ệ ầ

C

πεε