Trong vật dẫn các điện tích có thể dịch chuyển dưới tác dụng của điện trường. Nhưng về phương diện tĩnh điện, ta chỉ xét những điện tích nằm ở trạng thái cân bằng điện, tức là trạng thái
Trang 1CHƯƠNG 12 VẬT DẪN ÐIỆN VÀ CHẤT ÐIỆN MÔI
I VẬT DẪN TRONG ÐIỀU KIỆN CÂN BẰNG TĨNH ÐIỆN
1 Ðiều kiện cân bằng tĩnh điện của một vật dẫn mang điện
2 Các tính chất của vật dẫn cân bằng tĩnh điện
II VẬT DẪN ÐẶT TRONG ÐIỆN TRƯỜNG
1 Hiện tượng điện hưởng
2 Màn điện
III SỰ PHÂN CỰC CỦA CHẤT ÐIỆN MÔI
1 Khái niệm
2 Giải thích hiện tượng phân cực
IV ÐIỆN TRƯỜNG TRONG CHẤT ÐIỆN MÔI
V ÐIỆN MÔI SÉCNHÉT- HIỆU ỨNG ÁP ÐIỆN
1 Ðiện môi Sécnhét
2 Hiệu ứng áp điện
VI ÐIỆN DUNG CỦA CÁC VẬT DẪN
1 Ðịnh nghĩa
2 Ðiện dung của tụ điện
3 Các loại tụ điện thường dùng
VII NĂNG LƯỢNG ÐIỆN TRƯỜNG
1 Năng lượng của tụ điện
2 Năng lượng của trường tĩnh điện
I VẬT DẪN TRONG ÐIỀU KIỆN CÂN BẰNG TĨNH ÐIỆN
1 Ðiều kiện cân bằng tĩnh điện của một vật dẫn mang điện TOP
Trong vật dẫn các điện tích có thể dịch chuyển dưới tác dụng của điện trường Nhưng về phương diện tĩnh điện, ta chỉ xét những điện tích nằm ở trạng thái cân bằng điện, tức là trạng thái trong đó các điện tích đứng yên Ðiều kiện cân bằng tĩnh điện của một vật dẫn mang điện tích là điện trường bên trong vật dẫn phải bằng không Thực vậy, nếu điện trường đó khác không thì dưới tác dụng của điện trường này, các điện tích sẽ dịch chuyển, cân bằng tĩnh điện sẽ bị phá huỷ
2 Các tính chất của vật dẫn cân bằng tĩnh điện
TOP
a Ðối với một vật dẫn cân bằng tĩnh diện, điện tích chỉ tập trung ở mặt ngoài vật dẫn
Trang 2b Ðiện trường tại mặt vật dẫn phải có phương vuông góc với mặt vật dẫn tại mọi điểm của nó.
c Vật dẫn cân bằng tĩnh điện là một vật đẳng thế.
Ðiểm 2 lấy bất kỳ trong vật dẫn Do đó ta có thể kết luận mọi điểm của vật dẫn cân bằng tĩnh điện đều có cùng một điện thế Nói cách khác: Vật dẫn cân bằng tĩnh điện là một vật đẳng thế
Trong phần trên ta đã biết điện thế chỉ phân bố ở trên mặt ngoài của vật dẫn Nhưng thực nghiệm
và lý thuyết đã chứng tỏ sự phân bố điện tích ở trên mặt phụ thuộc vào hình dạng của vật dẫn Chỉ có
Trang 3những vật dẫn có dạng hình cầu hay mặt phẳng, điện tích mới phân bố đều trên mặt Còn đối với những vật dẫn có hình dạng khác thì điện tích phân bố không đều trên mặt Nơi nào lồi nhiều, mật độ điện tích sẽ lớn, đặc biệt là ở những mũi nhọn của vật dẫn, điện tích tập trung rất nhiều Ðiện trường do các điện tích này gây ra tại vùng xung quanh sát với mũi nhọn sẽ rất lớn Dưới tác dụng của điện trường này, lớp không khí gần sát mũi nhọn sẽ bị iôn hóa Các phần tử mang điện tích khác dấu với điện tích của mũi nhọn mất dần vì bị trung hòa Còn các phần tử mang điện cùng dấu với điện tích của mũi nhọn sẽ bị mũi nhọn đẩy bật ra xa, lôi kéo theo không khí và tạo thành một luồng gió gọi là gió điện (Hình 12.4)
Do hiệu ứng mũi nhọn, vật dẫn mất điện tích Vì vậy để tránh hao hụt điện trong các máy móc, đầu vật dẫn thường được làm tròn Ngược lại nhiều khi người ta lợi dụng hiệu ứng này Ví dụ: máy bay khi bay vào trong những đám mây thường bị tích điện Do đó điện thế của máy bay thay đổi, ảnh hương xấu đến việc sử dụng thiết bị vô tuyến điện trong máy bay
II VẬT DẪN ÐẶT TRONG ÐIỆN TRƯỜNG
1 Hiện tượng điện hưởng
TOP
Trang 4Hiện tượng vật dẫn trung hoà điện trở thành tích điện do ảnh hưởng của một vật mang điện, gọi là hiện tượng điện hưởng Người ta phân biệt hai trường hợp điện hưởng:
a) Trường hợp điện hưởng một phần
Ðó là trường hợp vật dẫn trung hoà điện không bao kín vật mang điện Trong trường hợp này chỉ
có một phần các đường sức của vật mang điện gặp phần vật dẫn chịu ảnh hưởng Nếu gọi điện tích của vật mang điện C là +q thì điện tích xuất hiện ở đầu A của vật chịu ảnh hưởng điện sẽ là -q', còn ở đầu B sẽ là +q' Thực nghiệm và lý thuyết đã xác nhận
Khi đó sự dịch chuyển điện tích ở trong vật dẫn AB sẽ dừng lại, ở hai đầu A và B của vật dẫn sẽ xuất hiện các điện tích q' và +q' Nếu vật dẫn rổng người ta cũng chứng minh được điện trường ở trong lỗ của vật dẫn bằng không dù vật dẫn được đặt ở trong điện trường ngoài (Hình 12.8)
b) Trường hợp điện hưởng toàn phần
Ðó là trường hợp vật dẫn trung hoà điện A bao bọc hoàn toàn vật mang điện C (Hình 12.9) Khi
đó nếu vật mang điện có điện tích +q thì mặt trong A của vật dẫn bao bọc sẽ xuất hiện điện tích q Mặt ngoài B của vật dẫn sẽ xuất hiện điện tích +q' Vì đây là trường hợp điện hưởng toàn phần nên:
Trong trường hợp này, tất cả các đường sức xuất phát từ vật mang điện đều đến gặp vật dẫn bao bọc nó
2 Màn điện
TOP Giả sử có một vật dẫn rỗng B đặt gần một vật mang điện C (Hình 12.10) Như trên, người ta có thể chứng minh được điện trường ở trong phần rỗng bằng không Nếu trong phần rỗng của vật B có đặt một vật A thì vật A sẽ không chịu ảnh hưởng điện của vật C Nói cách khác, vật dẫn rỗng B có tác dụng như một cái màn che chở cho vật A khỏi bị ảnh hưởng điện trường của các vật mang điện bên ngoài Vật dẫn rỗng B được gọi là màn điện
Màn điện có rất nhiều ứng dụng Các máy tĩnh điện thường được đặt trong một vỏ bằng kim loại
để tránh ảnh hưởng điện bên ngoài Vỏ kim loại đó giữ vai trò của màn điện Các đèn điện tử, các dây điện thoại, dây micrô đều được bọc ở ngoài bằng những lưới thép Lưới thép có tác dụng như một màn điện giữ cho chế độ làm việc của đèn và dòng điện chạy trong dây được ổn định, không bị nhiễu bởi ảnh hưởng điện bên ngoài
Trang 5Ðể giữ cho điện thế của măn không đổi, người ta nối măn điện với đất Nếu trín măn điện có câc điện tích thì câc điện tích năy sẽ theo dđy dẫn truyền xuống đất Dđy nối với đất được gọi lă dđy "mass"
III SỰ PHĐN CỰC CỦA CHẤT ÐIỆN MÔI
1 Khâi niệm
TOP Khâc với câc chất dẫn điện, trong câc chất điện môi không có câc điện tích tự do Chúng không thể dẫn điện được Tuy nhiín khi ta đặt một thanh điện môi, thanh íbônit chẳng hạn, văo trong một điện trường đủ lớn thì ở hai đầu thanh cũng xuất hiện câc điện tích Hiện tượng đó được gọi lă hiện tượng phđn cực điện môi Hiện tượng năy bề ngoăi có vẻ giống như trường hợp ta đặt một vật dẫn văo trong một điện trường Nhưng quâ trình xuất hiện câc điện tích ở trín hai đầu thanh íbônit như thế năo vă điện trường ở bín trong chất điện môi có bị triệt tiíu như trong trường hợp vật dẫn không, đó lă những vấn đề chúng ta
sẽ giải quyết
a) Lưỡng cực phđn tử
Ta biết rằng mỗi phđn tử của chất điện môi đều gồm hai phần: một phần gồm câc hạt nhđn nguyín
tử mang điện tích dương vă phần còn lại lă câc ílectrôn mang điện tích đm quay quanh câc hạt nhđn Bình thường, câc phđn tử của chất điện môi trung hoă điện Về phương diện điện, ta có thể thay phần điện tích
đm của câc ílectrôn bằng điện tích q đặt tại trọng tđm điện tích đm O_ vă thay phần điện tích dương của câc hạt nhđn bằng điện tích +q đặt tại tđm điện tích dương O+
Do sự phđn bố của câc ílectrôn quanh câc hạt nhđn người ta chia chất điện môi lăm hai loại: một loại có câc ílectrôn phđn bố không đối xứng quanh câc hạt nhđn Ðối với loại năy, trọng tđm điện tích đm O_ vă trọng tđm điện tích dương O+ câch nhau một đoạn (Hình 12.11a) Như vậy mỗi phân tử của chất điện môi có thể coi như một lưỡng cực điện gọi lă lưỡng cực phđn tử có mômen lưỡng cựcĠ VectơĠ hướng từ O_ đến O+ Phđn tử loại trín gọi lă phđn tử tự phđn cực Ðó lă trường hợp của câc chất điện môi như H2O,Ġ (nguyín chất) Loại phđn tử thứ hai có câc ílectrôn phđn bố đối xứng quanh câc hạt nhđn Khi đó trọng tđm câc điện tích đm O_ vă trọng tđm điện tích dương O+ trùng nhau Phđn tử không trở thănh lưỡng cực điện vă được gọi lă phđn tử không tự phđn cực Ðó lă trường hợp của câc chất điện môi (Hình 12.11b) vă câc khí hiếm
Ta có thể giải thích quâ trình xuất hiện điện tích ở trín chất điện môi dựa văo cấu tạo phđn tử của chất điện môi Ở đđy chỉ giới hạn nghiín cứu trường hợp chất điện môi đồng chất vă đẳng hướng Chất điện môi đồng chất vă đẳng hướng lă chất điện môi trong đó câc tính chất vật lý nói chung vă sự phđn cực nói riíng tại mọi điểm vă theo mọi phương đều như nhau
b) Giải thích hiện tượng phđn cực
Ta xĩt một khối điện môi đặt trong một điện trường vă lần lượt nghiín cứu quâ trình phđn cực của hai loại chất điện môi kể trín
Loại chất điện môi có phđn tử tự phđn cực: Ðối với loại năy, khi ta chưa đặt khối điện môi văo trong điện trường, câc lưỡng cực phđn tử do chuyển động nhiệt nín sắp xếp hổn loạn theo mọi phương (Hình 12.12) Do đó tổng vectơ của câc mômen lưỡng cực phđn tử bằng không, trín khối điện môi không xuất hiện câc điện tích
Trang 6Như vậy có các điện tích trái dấu xuất hiện ở hai mặt giới hạn trước và sau của khối điện môi Mặt điện trường ngoài đi vào sẽ tích điện âm, mặt điện trường ngoài đi ra sẽ tích điện dương Chất điện môi đã
bị phân cực (Trên các hình vẽ 12.13, 12.14, và 12.16 điện trường ngoàiĠhướng từ trái sang phải)
Loại chất điện môi có phân tử không tự phân cực Ðối với loại này, khi ta chưa đặt khối điện môi vào trong điện trường ngoài, các trọng tâm điện tích dương và âm của các phân tử trùng nhau Trong khối điện môi không có các lưỡng cực phân tử xuất hiện và trên mặt khối điện môi cũng không có các điện tích xuất hiện (Hình 12.15)
Kết luận: Dù chất điện môi thuộc loại nào, khi đặt vào trong một điện trường ngoài thì ở trên hai mặt giới hạn của khối điện môi cũng xuất hiện các điện tích trái dấu Các điện tích này đều là các điện tích liên kết, định xứ ở trên mặt giới hạn của khối điện môi
Trang 7Tuỳ theo chất điện môi, điện tích của các lưỡng cực phân tử sẽ lớn hay nhỏ và tuỳ thuộc theo cường độ điện trườngĠbên ngoài và các lưỡng cực phân tử sẽ quay hướng nhiều hay ít Vậy mức độ phân
cực của một chất điện môi phụ thuộc vào bản chất của chất điện môi và cường độ điện trường bên ngoài
c Vectơ phân cực điện môi
Ðể đặc trưng cho mức độ phân cực của chất điện môi, người ta đưa khái niệm vectơ phân cực điện môi Vectơ phân cực điện môiĠbằng tổng các vectơ mômen lưỡng cực điệnĠcủa các phân tử có trong một đơn vị thể tích của chất điện môi Chúng ta hãy xét một thể tích V của một khối điện môi đã bị phân cực Thể tích đó phải lớn hơn rất nhiều so với kích thước của phân tử để có thể chứa được một số lớn các phân
tử Từ định nghĩa của véc tơ phân cực, ta có thể viết:
IV ÐIỆN TRƯỜNG TRONG CHẤT ÐIỆN MÔI
TOP
Trang 9
V ÐIỆN MÔI SÉCNHÉT- HIỆU ỨNG ÁP ÐIỆN
a) Trong một khoảng nhiệt độ nào đấy hằng số điện môi của chúng có giá trị rất lớn vào khoảng
10000
b) Hằng số điện môi này phụ thuộc vào cường độ điện trường trong chất điện môi
c) Sau khi bỏ điện trường ngoài đi, chất muối này vẫn còn bị phân cực Hiện tượng đó gọi là hiện tượng điện trễ
d) Vượt quá một nhiệt độ Tc nào đó (phụ thuộc vào bản chất của muối Sécnhét) muối Sécnhét mất hết các đặc tính trên và trở thành chất điện môi thường Nhiệt độ Tc gọi là nhiệt độ Curie
Trang 10Hiện nay muối Sécnhét có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật Vì có hằng số điện môi rất lớn nên một trong những ứng dụng quan trọng của muối Sécnhét là dùng nó
để chế tạo các tụ điện có điện dung lớn nhưng kích thước lại nhỏ, rất tiện dùng
2 Hiệu ứng áp điện
TOP
a Hiệu ứng áp điện thuận
biến dạng, trước nén sau giãn hoặc ngược lại thì điện tích xuất hiện ở hai mặt trên cũng đổi dấu Do điện tích trái dấu xuất hiện nên giữa hai mặt này có một hiệu điện thế Nếu gắn vào hai mặt này hai tấm kim loại và nối lại bằng một dây dẫn thì trong dây sẽ có dòng điện chạy Hiệu ứng áp điện thuận được dùng để chuyển các đại lượng cơ học (như lực tác dụng) thành các nguồn phát siêu âm
VI ÐIỆN DUNG CỦA CÁC VẬT DẪN
Giả sử có một vật dẫn cô lập (nghĩa là một vật không tương tác điện với các vật khác) Ta tích cho vật đó một điện tích Q thì điện thế của vật đó sẽ bằng V Thực nghiệm chứng tỏ điện tích Q của vật dẫn cô lập tỷ lệ với điện thế V của nó:
Q = CV (12.19)
trong đó C là hệ số tỷ lệ phụ thuộc hình dạng, kích thước của vật dẫn cô lập và được gọi là điện dung của vật dẫn đó
Trong công thức trên, ta nhận thấy Q = C khi V = 1 Vol Vậy điện dung của vật dẫn cô lập là một đại lượng vật lý, về trị số bằng điện tích mà vật dẫn tích được khi điện thế của nó được đưa từ 0 đến 1 Vol
Trang 112 Ðiện dung của tụ điện
TOP
a.Tụ điện : Tụ điện được định nghĩa là một hệ thống hai vật dẫn cô lập ở điều kiện hưởng ứng
điện toàn phần (Hình 12.20)
Vậy Fara là điện dung của một tụ điện khi có điện lượng 1 Culông thì hiệu điện thế giữa hai bản bằng 1 Vol
a Tụ điện phẳng:
Trang 12Như vậy, nếu giữa hai bản có chứa chất điện môi có hằng số điện môi là ( thì điện dung của tụ điện
sẽ tăng lên ( lần so với khi giữa hai bản là chân không hay không khí
Từ biểu thức trên của điện dung ta nhận thấy muốn cho điện dung C của tụ điện lớn thì diện tích S của hai bản phải lớn và khoảng cách d giữa hai bản phải nhỏ Nhưng mỗi tụ điện chỉ chịu được một hiệu điện thế nhất định; Vượt quá hiệu điện thế đó, sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện giữa hai bản của tụ điện Tụ điện sẽ
bị hỏng Do đó để tăng điện dung C ta không thể giảm mãi khoảng cách d giữa hai bản được Hiệu điện thế lớn nhất mà tụ điện có thể chịu được gọi là hiệu điện thế xuyên thủng
Với chất điện môi secnhét là chất có hằng số điện môi ( rất lớn ta không cần phải tăng diện tích S
và giảm khoảng cách d nhiều mà điện dung của tụ điện vẫn lớn
Trang 13
VII.NĂNG LƯỢNG ÐIỆN TRƯỜNG
Trang 152 Năng lượng của trường tĩnh điện
TOP
a Trường hợp điện trường đều: Thực nghiệm đã xác nhận rằng, năng lượng của tụ điện định
xứ trong khoảng không gian có điện trường giữa hai bản của tụ điện Mà điện trường, như ta đã biết, là một dạng của vật chất Nó có năng lượng W trên được coi là năng lượng của trường tĩnh điện Ta có thể biểu diễn năng lượng W đó qua điện trường E giữa hai bản của tụ điện Thực vậy, gọi d là khoảng cách giữa hai bản ta có:
b Trường hợp điện trường bất kỳ
Biểu thức năng lượng (12.29) tìm được cho một điện trường đều giữa hai bản của một tụ điện phẳng Trong trường hợp điện trường là bất kỳ, ta chia thể tích V ra thành vô số những phần tử thể tích dV
vô cùng nhỏ sao cho điện trường trong đó có thể được coi là đều Năng lượng điện trường trong phần tử thể tích này có giá trị bằng:
Trang 16TRỌNG TÂM ÔN TẬP
***&&&***
1 Ðiều kiện và các tính chất của vật dẫn ở trạng thái cân bằng tĩnh điện
2 Giải thích hiện tượng điện hưởng - Ðiện hưởng toàn phần - Ðiện hưởng một phần Màn chắn tĩnh điện
3 Phân tử tự phân cực và phân tử không tự phân cực Giải thích sự phân cực của chất điện môi
4 Ðiện trường trong chất điện môi
5 Hiện tượng áp điện thuận và điện thuận nghịch
6 Ðiện dung - Tụ điện - Năng lượng của tụ điện
CÂU HỎI ĐIỀN THÊM
***&&&***
1 Vật dẫn là vật đẳng thế
2 Khi điện trường trong vật dẫn bằng không thì sự phân bố điện tích chỉ
3 Môi trường nào có hằng số điện môi càng lớn thì véc tơ cường độ điện trường
4 Thạch anh khi bị áp điện ở hai mặt ngoài
5 Sự điện hưởng khác bản chất với sự phân cực điện môi vì
6 Muốn chế tạo ra một tụ điện phẳng có điện dung càng lớn ta chọn
7 Năng lượng điện trường được nhận biết qua khi mà
BÀI TẬP
***&&&***
Trang 17
PHÂN TÍCH NHỮNG CÂU PHÁT BIỂU ĐÚNG SAI
***@@@***
1 Gió điện là hiện tượng phân cực của không khí
2 Trong hiện tượng điện hưởng, sự di chuyển của các điện tích trong vật trung hòa chấm dứt khi mà điện thế các điểm bên trong vật bằng nhau
3 Ðiện trường bên trong vật dẫn rỗng thì có phương vuông góc với bề mặt
