II vat dan va dien moi (1)

VẬT DẪN VÀ ĐIỆN MÔI

II Vật dẫn và ñiện môi

2

Nội dung

 Vật dẫn trong ñiện trường ngoài

ðiện dung của vật dẫn

 Năng lượng ñiện trường

 Sự phân cực của chất ñiện môi

 ðiện trường trong chất ñiện môi

Mục tiêu

 Nắm ñược khái niệm về vật dẫn, ñiện môi và phân

loại vật liệu theo tính dẫn ñiện

 Các tính chất của vật dẫn, ñiện môi trong ñiện

trường ngoài

 Khái niệm về ñiện dung, tụ ñiện Vận dụng tính ñiện

dung trong một số trường hợp cụ thể

II.1

Khái niệm chung về vật dẫn

1 Phân biệt vật chất theo tính dẫn ñiện

 Vật dẫn ñiện: ñiện tích có thể chuyển ñộng tự do trong

toàn bộ thể tích

VD: kim loại

 Chất cách ñiện (ñiện môi): ñiện tích ñịnh xứ/kém tự

do

VD: gỗ, giấy, nhựa

 Bán dẫn

VD: Si, Ge, …

 Siêu dẫn: tại nhiệt ñộ nhất ñịnh có R = 0

Hg, Y-Ba-Ca-O, …

ðiện trở suất

Vật liệu ðiện trở suất, ρ (Ωm)

Kim loại 10-8

Bán dẫn thay ñổi mạnh

Cách ñiện 1016

6

Conductor

2 Yếu tố quyết ñịnh tính dẫn ñiện ?

Cấu tạo và bản chất ñiện của các nguyên tử

 Kim loại:

- ion dương sắp xếp trật tự tạo thành mạng tinh thể, dao ñộng nhiệt nhỏ quanh nút mạng

- ñiện tử hóa trị liên kết yếu với hạt nhân nguyên tử, tách khỏi nguyên tử thành ñiện tử dẫn

II.2

Sự cân bằng ñiện tích trên vật dẫn

Vật dẫn trong ñiện trường ngoài

10

1 Sự cân bằng ñiện tích trên vật dẫn.

 Vật dẫn cân bằng ñiện tích: trạng thái ñiện tích tự do nằm cân bằng (không chuyển ñộng tạo thành dòng ñiện)

 ðiều kiện cân bằng tĩnh ñiện:

-Trong vật dẫn: Vector cường ñộ ñiện trường E tại mọi ñiểm phải bằng 0

- Trên bề mặt vật dẫn: Tại mọi ñiểm, thành phần tiếp tuyến của vector cường ñộ ñiện trường bằng 0, vector cường ñộ ñiện trường vuông góc với bề mặt vật dẫn

2 Tính chất của vật dẫn mang ñiện

 Nếu một vật dẫn có một ñiện tích q và ở

trạng thái cân bằng tĩnh ñiện thì ñiện tích

q chỉ ñược phân bố trên bề mặt của

vật dẫn, bên trong vật dẫn tổng ñại số

ñiện tích bằng 0.

Ứng dụng: máy phát tĩnh ñiện, màn ñiện

 Vật dẫn cân bằng tĩnh ñiện là một vật

ñẳng thế (equipotential object) Sự phân

bố ñiện tích trên mặt vật dẫn chỉ phụ thuộc

vào hình dạng của mặt

Thử CM một số tính chất của vật dẫn cân bằng tĩnh ñiện

 ðiện tích q chỉ ñược phân bố trên bề mặt của vật dẫn ?

13 14

Ðiểm 2 lấy bất kỳ trong vật dẫn → mọi ñiểm của vật dẫn cân bằng tĩnh ñiện ñều có cùng một ñiện thế (vật ñẳng thế)

3 Vật dẫn trong ñiện trường ngoài

Hiện tượng các ñiện tích cảm ứng xuất hiện trên bề mặt vật dẫn khi

ñặt trong ñiện trường ngoài ñược gọi là hiện tượng ñiện hưởng (hiện

tượng cảm ứng tĩnh ñiện)

Vật dẫn trong ñiện trường ngoài (cont.1)

 ðịnh lý các phần tử tương ứng:

ðiện tích cảm ứng trên các phần tử tương ứng có ñộ lớn bằng nhau và trái dấu: ∆q’ = ∆q

Ý nghĩa: cho thấy mối quan hệ giữa ñiện tích của vật mang ñiện và ñiện tích cảm ứng xuất hiện trên vật dẫn

ðiện hưởng một phần và toàn phần

 ðiện hưởng một phần:

ðộ lớn của ñiện tích cảm ứng

trên vật dẫn nhỏ hơn ñộ lớn

ñiện tích trên vật mang ñiện

 ðiện hưởng toàn phần:

ðộ lớn của ñiện tích cảm ứng

trên vật dẫn bằng ñộ lớn ñiện

tích trên vật mang ñiện

18

Ứng dụng: màn ñiện

 Xét một vật dẫn rỗng B ñặt gần một vật mang ñiện C Như trên, người ta có thể chứng minh ñược ñiện trường ở trong phần rỗng bằng không Nếu trong phần rỗng của vật B có ñặt một vật A thì vật A sẽ không chịu ảnh hưởng ñiện của vật C Vật dẫn rỗng B, có tác dụng như một màn chắn cho vật A khỏi bị ảnh hưởng ñiện trường của các vật mang ñiện bên ngoài, gọi là màn ñiện

 Ứng dụng: Các máy tĩnh ñiện thường ñược ñặt trong một vỏ bằng kim loại

ñể tránh ảnh hưởng ñiện bên ngoài Vỏ kim loại ñó giữ vai trò của màn ñiện Các ñèn ñiện tử, các dây ñiện thoại, dây micrô ñều ñược bọc ở ngoài bằng những lưới thép Lưới thép có tác dụng như một màn ñiện giữ cho chế ñộ làm việc của ñèn và dòng ñiện chạy trong dây ñược ổn ñịnh, không bị nhiễu bởi ảnh hưởng ñiện bên ngoài

 Ðể giữ cho ñiện thế của màn không ñổi, người ta nối màn ñiện với ñất Nếu trên màn ñiện có các ñiện tích thì các ñiện tích này sẽ theo dây dẫn truyền xuống ñất Dây nối với ñất ñược gọi là dây "mass"

II.3

ðiện dung của các vật dẫn Tụ ñiện.

1 ðiện dung của vật dẫn cô lập.

 ðiện thế của vật dẫn cô lập tỉ lệ với ñiện tích của vật dẫn ñó:

q = C.V

hệ số tỉ lệ C: ñiện dung của vật dẫn, phụ thuộc hình dạng, kích thước, tính chất của môi trường cách ñiện bao quanh vật dẫn

 ðịnh nghĩa: V = 1 →C = V:

ðiện dung của vật dẫn cô lập là một ñại lượng về giá trị bằng ñiện tích cần truyền cho vật dẫn ñể ñiện thế của vật dẫn tăng thêm một ñơn vị ñiện thế

ðơn vị: F (Faraday) = C/V

2 ðiện dung của hai vật dẫn

 ðiện dung của hai vật dẫn:

Xét 2 vật dẫn 1 và 2 ở trạng thái cân bằng ñiện với ñiện tích và

ñiện thế là q1, V1và q2, V2

+ q1= C11.V1+ α12.V2

+ q2= α21.V1+ C22.V2

với Cii: ñiện dung của vật dẫn i, αij: hệ số tích ñiện (ñộ ñiện

hưởng) của vật dẫn i gây ra bởi vật dẫn j

 Một số tính chất: Cii≥0, Cij= Cji

≠α +

i j ij i ii

22

3 Tụ ñiện.

 ðịnh nghĩa: tụ ñiện là 1 hệ gồm hai vật

dẫn cô lập, ñược gọi là hai bản tụ, ở trạng thái ñiện hưởng toàn phần

 Tính chất:

- ðiện tích xuất hiện trên hai mặt ñối diện của các bản tụ có giá trị bằng nhau

và trái dấu

- ðiện dung C của tụ ñiện:

Q = C.(V1 - V2) hay - Q = - C.(V1 - V2)

- ðiện thế của bản tích ñiện dương cao hơn của bản tích ñiện âm: (V1> V2)

4 ðiện dung của một số tụ ñiện

 Tụ ñiện phẳng:

C chỉ phụ thuộc vào A, d (các yếu tố ñối xứng)

ðiện dung của một số tụ ñiện (cont 1)

 Tụ ñiện cầu:

ðiện dung của một số tụ ñiện (cont 2)

 Tụ ñiện trụ:

1

2

0

ln

2

R

R

l

C= πεε

26

5 Ghép tụ ñiện

 Tụ ñiện mắc song song

Ghép tụ ñiện (cont 1)

 Tụ ñiện mắc nối tiếp

6 Ứng dụng của tụ ñiện

 Tụ ñiện ñược sử dụng phổ biến trong các thiết bị ñiện tử với các công

dụng nhất ñịnh như truyền dẫn tín hiệu, lọc nhiễu, lọc ñiện nguồn, tạo

dao ñộng, …:

- Cho ñiện áp xoay chiều ñi qua và ngăn ñiện áp một chiều lại, do ñó

tụ ñược sử dụng ñể truyền tín hiệu giữa các tầng khuyếch ñại có chênh

lệch về ñiện áp một chiều

- Với ñiện xoay chiều thì tụ dẫn ñiện còn với ñiện một chiều thì tụ lại

trở thành tụ lọc

- Lọc ñiện áp xoay chiều sau khi ñã ñược chỉnh lưu (loại bỏ pha âm)

thành ñiện áp một chiều bằng phẳng (nguyên lý của các tụ lọc nguồn)

 Tụ giấy và tụ gốm (trị số nhỏ) thường lắp trong các mạch cao tần còn

tụ hóa (trị số lớn) thường lắp trong các mạch âm tần hoăc lọc nguồn

ñiện có tần số thấp

30

Bài tập

II.4

Năng lượng ñiện trường

1 Năng lượng tương tác của một hệ ñiện tích ñiểm

 Thế năng tương tác giữa q1và q2: hay có thể viết lại thành

2 Năng lượng của một vật dẫn cô lập tích ñiện

 Ta có thể xem vật dẫn như một hệ ñiện tích ñiểm, khi ñó năng

lượng của hệ này là:

34

3 Năng lượng của tụ ñiện

1 ðiện trường mang năng lượng: năng lượng này ñịnh xứ trong không gian chứa ñiện trường

2 Mật ñộ năng lượng ñiện trường tại một ñiểm là:

→ năng lượng ñiện trường trong thể tích hữu hạn là:

Bài tập

II.5

Sự phân cực của chất ñiện môi

1 Khái niệm

 Khác với các chất dẫn ñiện, trong các chất ñiện môi không có

các ñiện tích tự do và không thể dẫn ñiện ñược VD: gỗ, giấy,

nhựa, …

 Khi ta ñặt một thanh ñiện môi vào trong một ñiện trường ñủ lớn

thì ở hai ñầu thanh cũng xuất hiện các ñiện tích Hiện tượng ñó

ñược gọi là hiện tượng phân cực ñiện môi Hiện tượng này bề

2 Hiện tượng phân cực

a Lưỡng cực phân tử, phân loại

 Mỗi phân tử của chất ñiện môi gồm hai phần: một phần gồm các hạt nhân nguyên tử mang ñiện tích dương và phần còn lại

là các e- mang ñiện tích âm quay quanh các hạt nhân Bình thường, các phân tử của chất ñiện môi trung hoà ñiện

Về phương diện ñiện, ta có thể thay phần ñiện tích âm của các êlectrôn bằng ñiện tích q ñặt tại trọng tâm ñiện tích âm O_ và

- Phân tử tự phân cực: có các e- phân bố không ñối xứng quanh các hạt

nhân Ðối với loại này, trọng tâm ñiện tích âm O_ và trọng tâm ñiện tích

dương Ơ cách nhau một ñoạn (hình a) Mỗi phân tử đueoecj coi như một

lưỡng cực ñiện, gọi là lưỡng cực phân tử, có moment lưỡng cực Ā hướng từ

O_ ñến Ợ Phân tử loại trên gọi là phân tử tự phân cực VD: H2O (nguyên

chất), NH3, HCl, CH3Cl, …

- Phân tử không tự phân cực: có các e- phân bố ñối xứng quanh các hạt

nhân Khi ñó trọng tâm các ñiện tích âm O_ và trọng tâm ñiện tích dương Ơ

trùng nhaụ Phân tử không trở thành lưỡng cực ñiện VD: H2, N2, CCl4, các khí

hiếm

42

b Giải thích hiện tượng phân cực

 Xét một khối ñiện môi ñặt trong một ñiện trường và lần lượt nghiên cứu quá trình phân cực của hai loại chất ñiện môi trên

ðiện môi tự phân cực

 Như vậy có các ñiện tích trái dấu xuất hiện ở hai mặt giới hạn trước và sau của khối ñiện môị Mặt ñiện trường ngoài ñi vào sẽ tích ñiện âm, mặt ñiện trường ngoài ñi ra sẽ tích ñiện dương Chất ñiện môi ñã bị phân cực

ðiện môi không tự phân cực

 Khi chưa ñặt khối ñiện môi vào trong ñiện trường ngoài, các trọng

tâm ñiện tích dương và âm của các phân tử trùng nhau Trong khối

ñiện môi không có các lưỡng cực phân tử xuất hiện và trên mặt

khối ñiện môi cũng không có các ñiện tích xuất hiện

46

Kết luận

 Dù chất ñiện môi thuộc loại nào, khi ñặt vào trong một ñiện trường ngoài thì ở trên hai mặt giới hạn của khối ñiện môi cũng xuất hiện các ñiện tích trái dấu Các ñiện tích này ñều là các ñiện tích liên kết, ñịnh xứ ở trên mặt giới hạn của khối ñiện môi

 Tuỳ theo chất ñiện môi, ñiện tích của các lưỡng cực phân tử sẽ lớn hay nhỏ, và tuỳ thuộc theo cường ñộ ñiện trường bên ngoài

và các lưỡng cực phân tử sẽ quay hướng nhiều hay ít Vậy mức

ñộ phân cực của một chất ñiện môi phụ thuộc vào bản chất của chất ñiện môi và cường ñộ ñiện trường bên ngoài

c Vector phân cực ñiện môi

 Ðặc trưng cho mức ñộ phân cực của chất ñiện môi

 Bằng tổng các vectơ moment lưỡng cực ñiện của các phân tử có

trong một ñơn vị thể tích của chất ñiện môi:

II.6

ðiện trường trong chất ñiện môi

50

Bài tập

54