Bài giảng vật lý đại cương A2 (vật dẫn)

Vật dẫn cân bằng tĩnh điện 2.. Vật dẫn vật liệu dẫn điện muối, nước, cơ thể sống… thể dễ dàng di chuyển từ nguyên tử phân tử tái phân bố điện tích trên toàn bộ bề mặt khi 1.. Vật dẫn cân

CHƯƠNG 2 - VẬT DẪN

1 Vật dẫn cân bằng tĩnh điện

2 Điện hưởng và tụ điện

3 Năng lượng điện trường

Vật dẫn (vật liệu dẫn điện)

muối, nước, cơ thể sống…

thể dễ dàng di chuyển từ nguyên tử (phân tử)

tái phân bố điện tích trên toàn bộ bề mặt khi

1 Vật dẫn cân bằng tĩnh điện

Chất bán dẫn (vật liệu bán dẫn)

do di chuyển khi chịu các tác động từ bên ngoài (ánh sáng, nhiệt độ…)

) Điện tích tự do chính là các điện tử (electron) hóa trị do liên kết yếu với hạt nhân nguyên tử mà dễ dàng bị bứt khỏi nguyên tử và trở thành điện tử tự do

Phân loại vật liệu theo độ dẫn (khả năng dẫn điện)

Vật dẫn kim loại

Độ dẫn

1 Vật dẫn cân bằng tĩnh điện

) Không có quá trình dịch chuyển điện tích và vector cường độ điện

trường bên trong vật dẫn (khối hoặc rỗng):

0

=

trong

E r

Điều kiện vật dẫn cân bằng tĩnh điện

0

=

t

E

0 εε

σ

=

= E

En

ª

ª

S

1 Vật dẫn cân bằng tĩnh điện

) Bên trong vật dẫn, E = 0:

dS E V

V

N

M

N

ª V M = V N = V A =V B

Tính chất của vật dẫn cân bằng tĩnh điện

Vật dẫn là vật đẳng thế

1 Vật dẫn cân bằng tĩnh điện

Bên ngoài vật dẫn

)

⇒ E ⊥ mặt đẳng thế tại mọi điểm

n

E

Er r

=

N

M Ertrong = 0

n

E

Er r

=

Tính chất của vật dẫn cân bằng tĩnh điện

Phân bố điện tích phụ thuộc hình dạng bề mặt

Điện tích chỉ phân bố trên bề mặt

∑

εε

i i

q dS

E r

i i

q

trung chủ yếu tại

các bề mặt lồi

hoặc mũi nhọn

tích ở bề mặt lõm hoặc hốc

Mặt Gauss

1 Vật dẫn cân bằng tĩnh điện

2 Điện hưởng và tụ điện

Hiện tượng điện hưởng

(electron) dịch chuyển ngược chiều

điện (-), phía đối diện tích điện (+)

0

Điện tích cảm ứng

0

0

Er

khi khử ⇒E rE trongr' = 0

'

Er

0

Er

tích tự do trong vật dẫn dưới tác

hiện tượng cảm ứng điện tĩnh =

điện hưởng

2 Điện hưởng và tụ điện

Hiện tượng điện hưởng

Điện hưởng một phần

đi qua B con một phần đi ra vô

cùng

nhỏ hơn độ lớn điện tích trên vật

mang điện

cảm ứng

0

q

q’

2 Điện hưởng và tụ điện

bằng độ lớn điện tích trên vật

mang điện

⎜q’ ⎜= ⎜q ⎜

Màn chắn tĩnh điện

q’

Hiện tượng điện hưởng

Điện hưởng toàn phần

) Ở trạng thái cân bằng tĩnh điện ⇒ vật dẫn

điện tích của vật, tức là: V = k.Q

Điện dung vật dẫn cô lập

C

const V

Q

ª

ª Định nghĩa: Điện dung C của một vật dẫn

cô lập là đại lượng vật lý có giá trị bằng trị số

điện tích mà vật dẫn tích được khi điện thế của

nó bằng một đơn vị điện thế.

ª C đặc trưng cho khả năng tích điện của vật dẫn

Đơn vị điện dung: Fara (F), theo đó:

V

C F

1

1

1 =

10 86 , 8 14 , 3 4

1 4

9 12

0

m

C

πε

R

R O

O

R

Q

0

4

1 πεε

V

r

Q

0

4

1 πεε

V

Q

C = = 4πε0

2 Điện hưởng và tụ điện

2 Điện hưởng và tụ điện

Tụ điện

hưởng ứng điện toàn phần

U

Q V

V

Q

−

=

2 1

Điện dung tụ điện

điện thế giữa 2 bản cực bằng 1 volt

tụ điện, có điện tích +Q và –Q (ở

trên bề mặt) , điện thế +V và –V

Điện dung tụ điện

Tụ điện phẳng

2 Điện hưởng và tụ điện

phẳng, diện tích S, điện tích Q, -Q và

(rất nhỏ)

S S U

U

Q V

V

Q

−

=

2 1

Với: U = E.d và

S

Q E

ε ε

= ε ε

σ

=

0 0

d

S U

Q

C = = ε0ε

coi như gây bởi 2 mặt phẳng song

song vô hạn mang điện với mật độ

Điện trường đều

2 Điện hưởng và tụ điện

Điện dung tụ điện

Tụ điện cầu

R 1

R 2

R 1

R 2

2 1 0

2 1

2 1

0

2 1

4

1

1

R R

Q R

R

Q V

V

U

ε πε

−

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

+ ε

πε

=

−

=

( 10 12)2

4

R R

R

R U

Q C

−

ε

πε

=

=

2 Điện hưởng và tụ điện

Điện dung tụ điện

R 2

R 1 và R 2 (R 1 < R 2 ), độ cao l (l >> R1 và R2),

R 1

R 2

1

2 0

2

R l

Q V

V

U

ε πε

=

−

=

0

2

R

l U

Q

=

=

) Thế năng của q2 trong trường gây bởi q1:

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ πεε

+

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ πεε

= πεε

=

r

q q

r

q q

r

q q W

0

1 2

0

2 1

2 1

1 4

2

1 4

1

2

1 2

1

V q V

q

( 1 1 2 2 3 3)

2 1

3

12

1 32

3 0

2 31

3 21

2 0 1

31

1 3 23

3 2 12

2 1 0

31 23

12

1 1

1

4

1 2

1 4

1 2

1

4 1

V q V

q V q q

q q

r

q r

q q

r

q r

q q

r

q

q r

q

q r

q q W

W W

W

+ +

=

⎥

⎤

⎢

⎡

⎟⎟

⎞

⎜⎜

⎛

+ +

+

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

+ πεε

+

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

+ πεε

=

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

+

+ πεε

= +

+

=

Hệ 2 điện tích điểm

q1

q2

Hệ 3 điện tích điểm

r12

r23

r31

3 Năng lượng điện trường

Năng lượng tương tác của một hệ điện tích điểm

3 Năng lượng điện trường

Năng lượng của một vật dẫn tích điện cô lập

Năng lượng điện của một hệ vật dẫn tích điện

=

i

i

iV q

W

1 2 1

2

1 2

1 2

1 2

1

CV VQ

dq V

Vdq

C

Q CV

W

2 2

2

1 2

1

=

=

Q = C.V

n 1

Năng lượng tương tác của một hệ điện tích điểm

3 Năng lượng điện trường

2 1 2

1

2

1 2

1 2

1 2

1 2

1

CU QU

V V Q QV

QV

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛−

+

=

E

d A E

CU

2

1 2

0

2 ⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ εε

=

=

Với: A.d = thể tích không gian giữa 2 bản tụ

2 0 2

1

E

wE = εε

điện trường:

ED E

E

wE

2

1

2

1

0 = εε

= hay:

Tụ điện phẳng

Năng lượng điện trường

Điện trường bất kỳ

3 Năng lượng điện trường

vô cùng nhỏ sao cho điện trường E trong dV được coi là đều.

dV D E dV

w

2

1

=

=

∫

=

V

dV D E dW

2

1 r r

Năng lượng điện trường