LUẬN văn sư PHẠM vật lý xác ĐỊNH HẮNG số DIỆN môi BẰNG THỰC NGHIỆM

- Tìm hiểu và trình bày những tính chất vật lí đặc trưng, môt số ứng dụng thiết thực của chất điện môi: + Phân loại và giải thích đặc điểm phân cực của chất điện môi.. + Các đặc điểm của

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA SƯ PHẠM

BỘ MÔN VẬT LÝ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ThS PHẠM VĂN TUẤN Họ tên: VÕ DUY LÂM

ThS LÊ VĂN NHẠN Lớp: Sư phạm Vật lí 02

Xin cho em gởi lời cảm ơn chân thành của mình đến với quý thầy cô đã tận tình dạy

bảo em trong quá trình học tập tại Trường Đại

học Cần Thơ Cám ơn nhà trường đã tạo điều

kiện thuận lợi và luôn quan tâm đến tâm tư,

nguyện vọng của chúng em

Đặc biệt trong thời gian làm luận văn, cảm ơn

Thầy Phạm Văn Tuấn đã tận tình hướng dẫn,

giúp đỡ em Em xin chúc Thầy nhiều sức khỏe,

luôn vui vẻ và hạnh phúc

Mình xin gởi lời cảm ơn các bạn học lớp Sư

phạm Vật lí 02-K34 Cám ơn các bạn đã cho

mình một gia đình thứ hai, chúng mình đã

cùng giúp đỡ nhau trong học tập, cùng san sẻ

bao niềm vui nỗi buồn của quãng đời sinh

viên, cùng nhau tạo nên một tập thể gắn kết,

vững mạnh Mình luôn nhớ các bạn!

Dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng có thể không tránh khỏi sai sót, mong quý thầy cô và

các bạn thông cảm !

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 1

3 GIẢ THUYẾT KHOA HỌC 1

4 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 1

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

6 ĐỐI TƯƠNG NGHIÊN CỨU 3

7 CÁC GIAI ĐOẠN THỰC HIỆN 3

8 NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT 3

Chương 1 ĐIỆN TRƯỜNG 1.1 ĐIỆN TÍCH, SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC ĐIỆN TÍCH 4

1.1.1 Sự nhiễm điện của các vật 4

1.1.1.1 Cách làm nhiễm điện cho vật: 4

1.1.1.2 Điện tích của vật nhiễm điện 5

1.1.1.3 Chất dẫn điện, chất cách điện 5

1.1.1.4 Thuyết điện tử và giải thích sự nhiễm điện của vật dẫn 6

1.1.1.5 Định luật bảo toàn điện tích 7

1.1.2 Định luật Coulomb 7

1.1.2.1 Định luật Coulomb trong chân không 7

1.1.2.2 Định luật Coulomb trong môi trường bất kì () 8

1.1.2.3 Định luật Coulomb khi điện tíchq đặt trong hệ điện tích điểm q0 1, q2 , …,qn 9

1.1.3 Ứng dụng của sự tương tác giữa các điện tích 9

1.2 ĐIỆN TRƯỜNG 9

1.2.1 Khái niệm điện trường 9

1.2.2 Véc tơ cường độ điện trường 9

1.2.2.1 Định nghĩa 9

1.2.2.2 Véc tơ cường độ điện trường do hệ điện tích gây ra 10

1.2.3 Thí dụ về xác định véc tơ cường độ điện trườngE 11

1.2.3.1 Xác định E của một lưỡng cực điện 11

1.2.3.2 Điện trường do một dây dẫn thẳng, dài vô hạn, tích điện đều mật độ dài là  12

1.2.3.3 Điện trường do một đĩa tròn tích điện đều mật độ điện tích mặt là δ 13

1.3 ĐƯỜNG SỨC - ĐIỆN THÔNG 14

1.3.1 Đường sức điện trường 14

1.3.1.1 Định nghĩa 14

1.3.1.2 Các tính chất của đường sức 14

1.3.2 Điện thông 15

1.3.3 Véc tơ cảm ứng điện Thông lượng cảm ứng điện 16

1.3.3.1.Véc tơ cảm ứng điện (véc tơ điện dịch D ) 16

1.3.3.2 Thông lượng cảm ứng điện 16

1.3.4 Định lý Ostrogradski – Gauss 16

1.3.4.1 Định lý Ostrogradski – Gauss trong chân không 16

1.3.4.2 Định lý Ostrogradski – Gauss trong môi trường điện môi 17

1.3.4.3 Ứng dụng định luật O – G 17

1.4 ĐIỆN THẾ - HIỆU ĐIỆN THẾ 19

1.4.1 Công của lực tĩnh điện, thế năng của điện tích 19

1.4.1.1 Công của lực tĩnh điện 19

Luận văn tốt nghiệp Đại học Mục lục

1.4.1.2 Tính chất thế của trường tĩnh điện 21

1.4.1.3 Thế năng của điện tích đặt trong điện trường 21

1.4.2 Điện thế - Hiệu điện thế 22

1.4.2.1 Điện thế 22

1.4.2.2 Hiệu điện thế 23

1.4.2.3 Ví dụ 23

1.4.3 Mặt đẳng thế 23

1.4.3.1 Định nghĩa 23

1.4.3.2 Tính chất 24

1.4.4 Liên hệ E và V 24

1.4.5 Ứng dụng 26

1.4.5.1 Tìm E , V trong không gian hai mặt phẳng song song, rộng vô hạn có V1>V2, cách nhau đoạn là d 26

1.4.5.2 Tính hiệu điện thế của hai điểm cách tâm cầu lần lượt là R1 và R2> R 26

1.4.5.3 Bài toán lưỡng cực điện 26

1.4.6 Thế năng của hệ điện tích 28

1.4.6.1 Xét hai hệ điện tích đặt gần nhau q1, q2 28

1.4.6.2 Với hệ ba điện tích điểm 28

1.4.6.3 Với hệ n điện tích điểm 29

1.4.6.4 Với hệ điện tích phân bố liên tục (trên mặt S và trong thể tích V) 29

1.5 PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA TĨNH ĐIỆN PHƯƠNG PHÁP ẢNH ĐIỆN 29

1.5.1 Bài toán cơ bản của tĩnh điện học 29

1.5.2 Phương trình cơ bản của tĩnh điện học 29

Chương 2 ĐIỆN MÔI 2.1 SỰ PHÂN CỰC CỦA CHẤT ĐIỆN MÔI 31

2.1.1 Hiện tượng phân cực điện môi và hằng số điện môi 31

2.1.1.1 Hiện tượng phân cực điện môi 31

2.1.1.2 Hằng số điện môi 31

3.1.2 Cấu trúc phân tử của chất điện môi 32

3.1.2.1 Điện môi không phân cực 32

3.1.2.2 Điện môi phân cực 32

3.1.3 Giải thích sự phân cực của các chất điện môi 33

3.1.3.1 Điện môi không phân cực 33

3.1.3.2 Điện môi phân cực 33

3.1.3.3 Điện điện môi tinh thể 34

2.1.4 Các cơ chế phân cực 35

2.1.4.1 Phân cực điện tử nhanh 35

2.1.4.2 Phân cực ion nhanh 35

2.1.4.3 Phân cực Lưỡng cực chậm 35

2.1.4.4 Phân cực ion chậm 35

2.1.4.5 Phân cực điện tử chậm 36

2.1.4.6 Phân cực cấu kết cấu 36

2.1.4.7 Phân cực tự phát 36

2.1.5 Véc tơ phân cực và mật độ điện tích liên kết (điện tích phân cực) 37

2.1.5.1 Véc tơ phân cực 37

2.1.5.2 Liên hệ giữa véc tơ phân cực và mật độ điện tích liên kết (mặt) 38

2.2.2 Véc tơ cảm ứng điện ( D

) 40

2.2.3 Sự thay đổi của D E ; qua mặt phân cách giữa hai môi trường 40

2.2.3.1 Sự thay đổi củaE 40

2.2.3.2 Sự thay đổi củaD 41

2.3 MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC BIỆT Ở ĐIỆN MÔI TINH THỂ 42

2.3.1 Hiện tượng Xenhet điện 42

2.3.2 Hiệu ứng áp điện (hiện tượng áp điện) 43

2.4 HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI CỦA CÁC ĐIỆN MÔI KHÍ – LỎNG – RẮN 44

2.4.1 Hằng số điện môi của điện môi khí 44

2.4.2 Hằng số điện môi của điện môi lỏng 45

2.4.2.1 Hằng số điện môi của điện môi lỏng trung tính 45

2.4.2.2 Hằng số điện môi của chất lỏng cực tính 45

2.4.3 Hằng số điện môi của điện môi rắn 46

2.4.3.1 Hằng số điện môi của điện môi rắn trung hoà 46

2.4.3.2 Hằng số điện môi của điện môi rắn có kết cấu tinh thể ion 46

2.4.3.3 Hằng số điện môi của điện môi rắn hữu cơ cực tính 47

2.4.3.4 Hằng số điện môi của điện môi rắn có cấu tạo không đồng nhất 47

2.4.3.5 Hằng số điện môi của điện môi Xenhit: 48

2.5 TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI 48

2.5.1 Những khái niệm chung 48

2.5.2 Tính dẫn điện của điện môi khí 49

2.5.3 Tính dẫn điện của điện môi lỏng 50

2.5.3.1 Điện dẫn ion của điện môi lỏng 51

2.5.3.2 Điện dẫn điện di 51

2.5.4 Tính dẫn điện của điện môi rắn 52

2.5.4.1 Điện dẫn của điện môi rắn có cấu trúc mạng lưới nguyên tử phân tử 52

2.5.4.2 Điện dẫn của điện môi rắn có cấu trúc tinh thể ion 53

2.5.4.3 Điện dẫn bề mặt của điện môi rắn 53

2.6 SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI 54

2.6.1 Khái niệm về sự phóng điện trong chất điện môi 54

2.6.2 Sự phóng điện trong chất điện môi khí 55

2.6.2.1.Yêu cầu chung của các chất khí cách điện 55

2.6.2.2 Điều kiện xác định khả năng ion hoá và các dạng ion hóa chất khí 56

2.6.2.3 Quá trình hình thành, phát triển thác điện tử và quá trình phóng điện trong điện môi khí: 57

2.6.2.4 Các dạng phóng điện của điện môi khí 59

2.6.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền điện của điện môi khí 60

2.6.2.7 Phóng điện ở điện áp xung 63

2.6.3 Sự đánh thủng điện môi lỏng 64

2.6.4 Sự đánh thủng điện môi rắn 65

2.6.4.1 Phóng điện đánh thủng điện môi rắn 65

2.6.4.2 Phóng điện bề mặt điện môi rắn 66

2.7.TỔN THẤT ĐIỆN MÔI 67

2.7.1 Các khái niệm cơ bản 67

2.7.2 Các dạng tổn thất điện môi 68

2.7.2.1 Tổn thất điện môi do điện dẫn rò 68

2.7.2.2 Tổn thất điện môi do phân cực 68

Luận văn tốt nghiệp Đại học Mục lục

2.7.2.3 Tổn thất do ion hoá 68

2.7.2.4 Tổn thất điện môi do tính không đồng nhất của điện môi 69

2.7.3 Sơ đồ thay thế và tính toán tổn thất điện môi 69

2.7.3.1 Sơ đồ thay thế và đồ thị véc tơ 69

2.7.3.2 Cách xác định tổn thất điện môi 70

2.7.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới tổn thất điện môi 70

2.7.4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tổn thất điện môi 70

2.7.4.2 Ảnh hưởng của tần số điện trường tới tổn thất điện môi 71

2.7.4.3 Ảnh hưởng của độ ẩm không khí 72

2.7.4.4 Ảnh hưởng của điện áp tới tổn thất điện môi 72

2.7.5 Tổn thất điện môi trong chất khí 73

2.7.6 Tổn thất điện môi trong chất lỏng 73

2.7.7 Tổn thất điện môi trong chất rắn 73

2.7.7.1 Tổn thất điện môi trong điện môi có cấu tạo phân tử 73

2.7.7.2 Tổn thất điện môi của chất rắn có cấu tạo ion 74

2.7.7.3 Tổn thất trong điện môi xenhit 74

2.7.7.4 Tổn thất điện môi trong chất rắn có cấu tạo không đồng nhất 74

2.8 TÍNH CHẤT CƠ - LÝ - HOÁ CỦA ĐIỆN MÔI 75

2.8.1 Tính hút ẩm của vật liệu cách điện 75

2.8.1.1 Độ ẩm của không khí 75

2.8.1.2 Độ ẩm của vật liệu 75

2.8.1.3 Tính thấm ẩm 76

2.8.1.4 Sự hấp phụ hơi nước trên bề mặt điện môi 76

2.8.2 Tính chất cơ học của điện môi 77

2.8.2.1 Độ bền chịu kéo, nén, uốn 77

2.8.2.2 Tính giòn 77

2.8.2.3 Độ cứng 77

2.8.2.4 Độ nhớt 77

2.8.3 Tính chất nhiệt của chất điện môi 77

2.8.3.1 Tính chịu nóng của vật liệu cách điện 78

2.8.3.2 Tính chịu băng giá: (Hay độ bền chịu lạnh) 80

2.8.3.3 Độ dẫn nhiệt 80

2.8.3.4 Sự giãn nở nhiệt của điện môi: 80

2.8.4 Tính chất hóa học của chất điện môi 80

2.8.4.1 Tính chất hoá học 80

2.8.4.2 Tính chịu tác động của bức xạ năng lượng cao 80

2.9 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA CHẤT ĐIỆN MÔI 81

2.9.1 Điện môi sử dụng trong các tụ điện 81

2.9.1.1 Cấu tạo và quá trình phóng nạp của tụ điện: 81

2.9.1.2 Phân loại tụ điện 82

2.9.1.3 Ứng dụng của tụ điện 83

2.9.2 Động cơ piezo 84

2.9.2.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động: 84

2.9.2.2 Những điểm so sánh cơ bản giữa động cơ piezo và động cơ thường 85

2.9.2.3 Ưu điểm của loại động cơ piezo 85

2.9.3 Điện môi lỏng 86

2.9.3.1 Dầu mỏ cách điện: 86

2.9.3.3 Dầu thực vật: 87

2.9.4 New Zealand nghiên cứu làm máy phát điện "mềm" 88

Chương 3 XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI BẰNG THỰC NGHIỆM 3.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM 90

3.1.1 Cơ sở lí thuyết: 90

3.1.2 Mô hình thí nghiệm 91

3.2 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 94

3.2.1 Thí nghiệm 1: đo điện dung tụ mẫu 94

3.2.2 Thí nghiệm 2: Khảo sát sự phụ thuộc của điện dung C0 của tụ điện phẳng vào tần số f 94 3.2.3 Thí nghiệm 3: Khảo sát sự phụ thuộc của điện dung C0 của tụ điện phẳng vào khoảng cách d giữa hai bản tụ 97

3.2.4 Thí nghiệm 4: Đo hằng số điện môi của Thủy tinh, Mica, Giấy 98

Luận văn tốt nghiệp Đại học Mở đầu

Mong muốn bồi dưỡng phương pháp nhận thức khoa học và năng lực chuyên môn của mình

Vì lý do trên em chọn đề tài: “Xác định hằng số điện môi bằng phương pháp thực nghiệm” nhằm đáp ứng yêu cầu học tập hiện tại và tạo tiền đề cho công việc trong tương lai

3 GIẢ THUYẾT KHOA HỌC

Có thể tìm hiểu, trình bày bổ sung thêm những tính chất vật lí đặc trưng, cũng như nhiều ứng dụng thực tế của chất điện môi

Có thể tiến hành thí nghiệm xác định hằng số điện môi của một số chất bằng dụng

cụ thí nghiệm sẵn có trong phòng thí nghiệm của nhà trường

4 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

- Trình bày những kiến thức cơ bản của trường tĩnh điện:

+ Định luật Coulomb

+ Các khái niệm: véctơ cường độ điện trường (E

), véctơ cảm ứng điện (D

), điện thế,

+ Định lý Ostragradski –Gauss Ứng dụng định lý Ostragradski –Gauss để giải một số bài tập điển hình

- Tìm hiểu và trình bày những tính chất vật lí đặc trưng, môt số ứng dụng thiết thực của chất điện môi:

+ Phân loại và giải thích đặc điểm phân cực của chất điện môi

+ Các đặc điểm của: véctơ phân cực, mật độ điện tích liên kết, véctơ cường độ điện trường, véctơ cảm ứng điện

+ Một số tính chất đặc biệt của điện môi tinh thể

+ Đặc trưng hằng số điện môi của các môi trường rắn- lỏng- khí

+ Tính dẫn của điện môi

+ Tổn thất điện môi

+ Sự phóng điện trong chất điện môi

+ Đánh thủng điện môi

+ Các tính chất cơ- lý- hóa của chất điện môi

+ Một số ứng dụng của chất điện môi

- Thực hiện thành công thí nghiệm xác định hằng số điện môi: Thí nghiệm xác định hằng số điện môi thông qua việc tính điện dung của tụ điện trong mạch điện

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu tài liệu:

+ Các giáo trình Vật lí đại cương

+ Các giáo trình Vật liệu kĩ thuật điện có liên quan

+ Tham khảo thêm các nguồn thông tin từ: internet, báo chí, …

- Thực nghiệm:

+ Xác định mục đích thí nghiệm

+ Xây dựng phương án thí nghiệm

+ Lựa chọn dụng cụ thí nghiệm

+ Bố trí, thực hiện, thu thập- xử lí số liệu

+ Kiểm tra lại mức độ thành công của thí nghiệm

- Trao đổi học tập kinh nghiệm từ các thầy cô, anh chị và các bạn

- Ứng dụng công nghệ thông tin để hỗ trợ nghiên cứu và hoàn thành đề tài

Luận văn tốt nghiệp Đại học Mở đầu

6 ĐỐI TƯƠNG NGHIÊN CỨU

- Những tính chất vật lí của môi trường điện môi

- Phương pháp xác định hằng số điện môi bằng thực nghiệm

7 CÁC GIAI ĐOẠN THỰC HIỆN

- Giai đoạn 1: Tìm hiểu đề tài, trao đổi với thầy hướng dẫn, lập đề cương nghiên cứu

- Giai đoạn 2: Tìm hiểu những tính chất vật lí của trường tĩnh điện và chất điện môi

- Giai đoạn 3: Nghiên cứu phương án thí nghiệm, tiến hành thí nghiệm xác định hằng số điên môi

- Giai đoạn 5: Hoàn chỉnh đề tài, chuẩn bị báo cáo bằng powerpoint

- Giai đoạn 6: Bảo vệ luận văn tốt nghiệp trước hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp Đại học

8 NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT

- LCĐ: lưỡng cực điện

- TN: thí nghiệm

CHƯƠNG 1

ĐIỆN TRƯỜNG

1.1 ĐIỆN TÍCH, SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC ĐIỆN TÍCH

1.1.1 Sự nhiễm điện của các vật

Điện tích là một trong những khái niệm vật lí cơ bản nhất, đặc trưng cho tương tác điện từ (một trong bốn loại tương tác cơ bản của tự nhiên) Điện tích tạo ra trường điện từ

và cũng như chịu sự ảnh hưởng của trường điện từ Sự tương tác giữa một điện tích với trường điện từ khi nó chuyển động hoặc đứng yên so với trường điện từ này, là nguyên nhân gây ra lực điện từ

Tương tác giữa các vật nhiễm điện cho thấy trong tự nhiên tồn tại hai loại điện tích: điện tích dương và điện tích âm Các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau, khác dấu thì hút nhau Điện tích bé nhất tồn tại trong tự nhiên gọi là điện tích nguyên tố, ký hiệu là e

Điện tích của một vật vĩ mô là tổng đại số của tất cả các điện tích tương ứng của các hạt phần tử cấu thành nên vật đó Thông thường, các vật quanh ta đều trung hòa về điện,

đó là do mỗi nguyên tử ở trạng thái tự nhiên đều có tổng số proton bằng tổng số electron, nên các điện tích của chúng bù trừ lẫn nhau Vì một lí do nào đó, lượng điện tích âm và điện tích dương của một vật không bằng nhau, khi đó vật bị nhiễm điện

1.1.1.1 Cách làm nhiễm điện cho vật:

Luận văn tốt nghiệp Đại học Chương 1 Điện trường

- Hưởng ứng: vật A nhiễm điện đem đặt gần vật B, sau một thời gian thì vật B một đầu nhiễm điện trái dấu với vật A, đầu còn lại nhiễm điện cùng dấu với vật A

1.1.1.2 Điện tích của vật nhiễm điện

- Vật chỉ có thể nhiễm điện âm hoặc dương; nhiễm điện cùng loại thì đẩy nhau, nhiễm điện khác loại thì hút nhau

- Điện tích của một vật bất kì luôn là bội của “điện tích nguyên tố”

1.1.1.3 Chất dẫn điện, chất cách điện

Về phương diện điện, các chất có thể được chia dựa trên lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn:

Việc nghiên cứu quang phổ phát xạ của các chất khác nhau đã chứng tỏ rằng các nguyên

tử khác nhau có những trạng thái (mức) năng lượng xác định, khác nhau Khi nguyên tử ở trạng thái bình thường, mỗi lớp vỏ điện tử ứng với một trạng thái năng lượng xác định (một số trong các mức năng lượng được các điện tử lấp đầy) còn ở các mức năng lượng khác cao hơn điện tử chỉ có thể có mặt khi nguyên tử nhận năng lượng từ bên ngoài Khi mất kích thích nguyên tử trở về trạng thái ban đầu và phát ra năng lượng thừa Khi các nguyên tử liên kết với nhau để tạo thành mạng tinh thể của vật rắn, do sự tương hỗ giữa chúng làm phân chia các mức năng lượng, dẫn đến sự xuất hiện nhiều mức năng lượng mới nằm gần nhau trong phạm vi một lớp Các mức năng lượng đó tạo nên các dải năng lượng khác nhau Trong đó người ta quan tâm đến hai dải chính đó là “dải hóa trị” (vùng điền đầy các điện tử) và “dải dẫn” (các điện tử được tự do ở vùng này), giữa hai dải này được ngăn cách bởi “dải cấm”

Hình 1.1: Mô hình dải năng lượng của nguyên

tử (a), và của vật rắn (b)

Người ta dựa vào chiều rộng của dải cấm, để phân chia vật liệu:

- Chất dẫn điện (Vật dẫn): Là chất có vùng đầy điện tử và vùng các mức năng lượng

điện tử dễ dàng chuyển trạng thái Có 2 loại chất dẫn điện đó là:

+ Dẫn điện loại I (kim loại): Sự di chuyển của các điện tích không gây ra sự biến đổi hoá học nào

+ Dẫn điện loại II (dung dịch điện phân, axít, bazơ…): Sự di chuyển của các điện tích gắn liền với sự biến đổi hoá học

- Điện môi: Là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình thường sự dẫn điện

bằng điện tử không xảy ra Chiều rộng vùng cấm của điện môi trong khoảng từ 1,5 đến vài eV (1 eV = 1,60207.10-19J) VD: thuỷ tinh, nhựa, nước tinh khiết,…

- Chất bán dẫn: Là chất có vùng cấm khá nhỏ có thể khắc phục nhờ nguồn năng

lượng bên ngoài.Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé: (0,2 ÷1,5) eV

- Ngoài ra còn có vật liệu siêu dẫn: siêu dẫn là hiệu ứng vật lí xảy ra đối với một số

vật liệu ở nhiệt độ đủ thấp và từ trường đủ nhỏ, đặc trưng bởi điện trở bằng 0 dẫn đến sự suy giảm nội từ trường ( Hiệu ứng Meissner) Ngoài ra, tính chất siêu dẫn còn được phát hiện đối với một số vật liệu ở nhiệt độ cao (gốm)

1.1.1.4 Thuyết điện tử và giải thích sự nhiễm điện của vật dẫn

Luận văn tốt nghiệp Đại học Chương 1 Điện trường

vì vậy nó không thể chuyển động tự do nên ở điều kiện bình thường không dẫn điện

* Nhiễm điện do cọ xát

Giả sử khi cọ xát tấm thuỷ tinh vào lụa, một số electron từ thuỷ tinh chuyển sang lụa Kết quả là thanh thuỷ tinh thiếu electron nên mang điện dương, tấm lụa thừa electron nên mang điện âm

* Nhiễm điện do tiếp xúc

Giả sử cho thanh kim loại A tiếp xúc với thanh B (mang điện âm); khi đó một số electron từ B chuyển sang A làm thanh A tích điện âm (giống B)

* Nhiễm điện do hưởng ứng

Giả sử vật A nhiễm điện âm đặt gần vật B, do các electron có thể chuyển động tự do nên bị đẩy ra xa vật A, làm cho vật B một đầu nhiễm điện dương (đầu gần vật A), một đầu nhiễm điện âm

Hình 1.2

1.1.1.5 Định luật bảo toàn điện tích

Trong một hệ cô lập về điện, tổng đại số điện tích của hệ không thay đổi (được bảo toàn)

qi = const

1.1.2 Định luật Coulomb

* Điện tích điểm: Là các vật tích điện có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với khoảng

cách giữa chúng (khoảng cách khảo sát)

1.1.2.1 Định luật Coulomb trong chân không

a) Thí nghiệm đo lực (cân xoắn):

Nhà vật lí Coulomb (Charles-Augustin de Coulomb) phát hiện rằng các điện tích trái dấu thì hút nhau và các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau Ông muốn đo độ lớn của lực hút

đó Để đo lực điện, Coulomb treo một thanh ngang bên dưới một sợi dây mỏng Tại mỗi đầu thanh là một quả cầu tích điện làm bằng kim loại Sau đó, ông tích điện trái dấu cho hai quả cầu khác đặt gần đó Ông biết chính xác mỗi quả cầu có bao nhiêu điện tích Bằng cách đo lượng xoắn trên sợi dây, ông có thể tính ra lực hút giữa những quả cầu

H ình 1.3: Mô hình cân xoắn Coulomb

Các kết quả của Coulomb thật bất ngờ và thú vị Ông khám phá ra “lực điện tỉ lệ thuận

với lượng điện tích ở hai vật và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách của chúng” b) Định luật

- Biểu thức: F = 12. 2

r

q q k

12

12 2 12

2 1

r

r r

q q k

là véc tơ đơn vị hướng từ q1 tới q2.

- Khi q1 q2 > 0 (hai điện tích cùng dấu): F12

2 1

4

1

r

q q r

q q k

4

1

r r

q q

Luận văn tốt nghiệp Đại học Chương 1 Điện trường

1.1.2.3 Định luật Coulomb khi điện tích q0đặt trong hệ điện tích điểm q 1 , q 2 , …,q n

là lực tĩnh điện do qi tác dụng lên điện tích q0

* Chú ý: Các công thức (1.1), (1.2), (1.3) áp dụng được khi tính lực tương tác giữa hai quả

cầu tích điện đặt cô lập, trong đó r tính từ khoảng cách giữa tâm hai quả cầu

1.1.3 Ứng dụng của sự tương tác giữa các điện tích

- Máy lọc bụi, thiết bị thu gom tro bụi trong ống khói các nhà máy

- Phun sơn tĩnh điện, máy in phun tĩnh điện, máy photocopy

- Bao gói thực phẩm…

1.2 ĐIỆN TRƯỜNG

1.2.1 Khái niệm điện trường

Hai điện tích điểm q1, q2 đặt gần nhau, chúng tương tác điện với nhau Bản chất sự tương tác giữa các điện tích là gì?

Theo thuyết tương tác xa: coi sự tương tác của các điện tích là tức thời ( v  ) và không cần môi trường truyền

Theo thuyết tương tác gần: Phải có môi trường truyền tương tác giữa các điện tích,

đó là điện trường, tốc độ truyền tương tác là hữu hạn (v = c = 3.108m/s)

Như vậy; điện trường là dạng vật chất quanh các hạt mang điện, tác dụng lực lên các

F q

3 0

tại một điểm trong điện trường có:

+ Phương: đường nối điện tích điểm và điểm xét (M),

+ Chiều: - hướng ra xa q nếu q > 0,

- hướng vào gần q nếu q < 0

1.2.2.2 Véc tơ cường độ điện trường do hệ điện tích gây ra

a) Với hệ điện tích điểm

Xét điểm M trong hệ điện tích điểm q1, q2,…, qn Lực tác dụng lên q0 đặt tại M:

F q

F q

F

0 0

0

Biểu thức (1.6) là nội dung của nguyên lí chồng chất điện trường

b) Điện trường gây bởi một vật mang điện (hệ điện tích phân bố liên tục)

Chia vật thành các yếu tố vi phân dV mang điện tích dq Khi đó ta coi dV như một điện tích điểm mang điện tích dq

r r

dq E

d E

V vat







3 0

Luận văn tốt nghiệp Đại học Chương 1 Điện trường

r

dl E

d E

L vat







3 0

.4

d E

S vat







3 0

.4

d E

V vat







3 0

.4

LCĐ là hệ gồm hai điện tích điểm (q, -q) đặt cách

nhau khoảng d (d << khoảng cách khảo sát)

Véc tơ mômen lưỡng cực (mômen điện): Pe

d q

Pe 

Dạng véc tơ: 3

0 3

0 4

e e

A

r

P r

P E

2

0 ( ) ) 2

11

(

qd r

d r

r

P E

1.2.3.2 Điện trường do một dây dẫn thẳng, dài vô hạn, tích điện đều mật độ dài là 

Chia dây dẫn thành các yếu tố vi phân độ dài

E d E

E

d

O

Luận văn tốt nghiệp Đại học Chương 1 Điện trường

)(r x

r

2 2

2 2

cos

r x

3

4

cos.E

0

0 cos . 2 4

tại điểm M trên trục đĩa tròn bán kính R, cách tâm đoạn h

Chia đĩa tròn thành các yếu tố vi phân diện

3 0

có phương trùng với trục của đĩa và độ lớn bằng

2 0 2

0

//

)(

.4

4

1cos

.4

1

d h

d h

r

h r

dS r

dq dE

R

S S

S

1

11

(2

2

2 0

2

4.4

h

Q h

2 (điện trường của một mặt phẳng rộng vô hạn)

1.3 ĐƯỜNG SỨC - ĐIỆN THÔNG

1.3.1 Đường sức điện trường

Để mô tả ý nghĩa hình học của điện trường, người ta đưa ra khái niệm đường sức của điện trường

- Các đường sức xuất phát ở điện tích dương, kết thúc ở điện tích âm hoặc ở vô

cùng, vì vậy các đường sức là các đường không khép kín (điện trường tĩnh)

- Các đường sức có mật độ cao tại nơi có điện trường mạnh và ngược lại

Luận văn tốt nghiệp Đại học Chương 1 Điện trường

(E  const

)

* Đường sức của một số hệ điện tích

Hình 1.4: Đường sức của một số hệ điện tích

1.3.2 Điện thông

Xét một diện tích Srất nhỏ, có thể coi

điện trường qua Slà đều

n S

* Đơn vị điện thông: (V.m)

* Ý nghĩa của  E: Trị tuyệt đối của điện thông cho biết số lượng đường sức qua mặt S

dS E S E d

S n S

có chiều từ trong ra ngoài

1.3.3 Véc tơ cảm ứng điện Thông lượng cảm ứng điện

1.3.3.1.Véc tơ cảm ứng điện (véc tơ điện dịch D

Với  gọi là hằng số điện môi của môi trường

- Với điện tích điểm:

r

r r

q D

- Đường cảm ứng điện (tương tự đường sức điện trường)

1.3.3.2 Thông lượng cảm ứng điện

 D    

1.3.4 Định lý Ostrogradski – Gauss

1.3.4.1 Định lý Ostrogradski – Gauss trong chân không

Xét một điện tích điểm +q đặt trong chân không Tính điện thông  Equa các mặt kín

Ta có: d E S E dS

S n S

q dS

E S E

S S

S

E     

1 1

2 0

0

44

4



q R R

q dS

Luận văn tốt nghiệp Đại học Chương 1 Điện trường

- Với mặt S3 không bao quanh q: ( ) 0

3 

S E

q

(1.22)

* Định lý: Điện thông qua một mặt kín có giá trị bằng tổng đại số các điện tích có bên

trong mặt kín đó chia cho 0

* Định lý O – G cho véc tơ cảm ứng điện: 





n

i i

q S

S n

q

- b4 Áp dụng định lý O – G, tính E

*Ví dụ 1: Cho một mặt phẳng rộng vô hạn, tích điện đều mật độ điện tích mặt là  , đặt trong môi trường Xác định véc tơ cường độ điện trường tại điểm cách mặt phẳng đoạn h

- Do mặt phẳng rộng vô hạn và tích điện đều nên E

tại mọi điểm là như nhau và có phương vuông góc với mặt phẳng tích điện

Như vậy, điện trường do tấm phẳng tích điện đều gây ra là một điện trường ĐỀU

* Ví dụ 2: Cho hai mặt phẳng rộng vô hạn, tích điện đều và trái dấu  ,   Tính điện trường bên trong và bên ngoài hai tấm phẳng ấy

Do điện tích phân bố đều nên điện trường có tính đối xứng cầu, nên véc tơ cường độ

Luận văn tốt nghiệp Đại học Chương 1 Điện trường

điện trường có phương bán kính, hướng ra xa tâm cầu, điện trường tại các điểm cách tâm

O khoảng r có độ lớn như nhau

- Tại A (r < a): Chọn mặt Gauss là mặt cầu tâm O, bán kính OA = r

      

Mặt khác:

0 3 0

3

4

Vơí ( là hằng số điện môi của quả cầu)

- Tại B (r > a): Chọn mặt Gauss là mặt cầu (O, r = OB > a)

(giống điện trường của một điện tích điểm Q đặt tại tâm O)

Ví dụ 4: Tính E do một dây dài vô hạn tích điện đều 

E  (Với r là khoảng cách từ trục dây dẫn tới điểm xét)

1.4 ĐIỆN THẾ - HIỆU ĐIỆN THẾ

1.4.1 Công của lực tĩnh điện, thế năng của điện tích

1.4.1.1 Công của lực tĩnh điện

Xét một điện tích q đặt trong điện trường E

của một điện tích điểm Q > 0 Tính công lực tĩnh điện do Q gây ra trong di chuyển của điện tích q từ A đến B

dr Qq

r

r B

A AB

r d

qQ dA

40

44

(

0 A

0 r B

Q r

Q q



Kết luận: Công của lực điện trường không phụ thuộc vào dạng đường đi, chỉ phụ thuộc

vào điểm đầu, điểm cuối (A, B)

* Tổng quát: Công của lực điện trường làm di chuyển điện tích q đặt trong hệ điện tích

điểm qi

l d E E

E E q l d E q l d F A

AB

n AB

AB

l d E q l

d E q l d E

A B

q r

q r

q r

q r

q r

q q



2 2 2 2 1 1 1 1 0

Luận văn tốt nghiệp Đại học Chương 1 Điện trường

i

r

qq r

qq A

1 0 0

44

(



1.4.1.2 Tính chất thế của trường tĩnh điện

Khi L là đường cong kín (riA = riB) thì AAB = 0

A =  0 0

L L

l d E l

d E

Trường lực thoả mãn điều kiện (1.33) gọi là trường lực thế

Trong trường tĩnh điện, lưu số của E dọc theo đường cong kín bằng 0, vì vậy, trường tĩnh điện là trường lực thế

1.4.1.3 Thế năng của điện tích đặt trong điện trường

* Trong điện trường của một điện tích điểm Q

Trong trường lực thế, công ngoại lực bằng độ giảm thế năng, nghĩa là

4

W



C r

q Q

1 i

4W

1 0 n

1 i

4W

W

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của thế năng vào khoảng cách

* Trong điện trường E

q  

W

 chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm A (rA)

VA gọi là điện thế tại điểm A, đặc trưng cho điện trường về mặt dự trữ năng lượng

- Tổng quát:

C r

Q V

A

r  

0

(Vr là điện thế do Q gây ra tại điểm đặt r)

* Với hệ điện tích điểm q 1 , q 2 , …, q n

0

i

4 q

W

(Vi là điện thế do Qi gây ra tại điểm đặt ri)

* Với điện tích phân bố liên tục

0

r Q.q <0

Q.q >0

O

W

Luận văn tốt nghiệp Đại học Chương 1 Điện trường

* Với điện trường bất kì, điện thế tại điểm A

Hay:  

B

A B

A V E d l V

1 2 2 0

)(

ln4

)(

4

d x x d

x

dx dV

0 d

d L

Xét điện tích q0 trong điện trường E

, q dịch chuyển từ điểm M đến N Khi đó:

Luận văn tốt nghiệp Đại học Chương 1 Điện trường

Công lực điện trường trên đoạn MN

l d E q

dA  

.

0

Mặt khác: dA = q0(VM - VN) = - q0dV

dV l

d

E  

0

900

cos0cos

dy

dV E

dV i dx

(I)

V V dl



dr r

q dV

R

R V

V  

2

1 2

1

2 0

4

)11(

2 1

R R

q V

1.4.5.3 Bài toán lưỡng cực điện

Cho một lưỡng cực điện, tìm VC và EC

r r q

Luận văn tốt nghiệp Đại học Chương 1 Điện trường

2 0 2

0 4

cos4

cos

r

P r

4

cos2

r

P dr

4

sin

r

P rd

dV dt

3 0

2 2

sincos

2E

- Khi C nằm trên trung trực của lưỡng cực (

E

2 0

P V







1.4.6 Thế năng của hệ điện tích

Giữa các điện tích đặt trong hệ có tương tác Coulomb Khi dịch chuyển các điện tích, cần thực hiện công, công này chuyển thành thế năng dự trữ trong hệ

1.4.6.1 Xét hai hệ điện tích đặt gần nhau q 1 , q 2

Thế năng tương tác của hệ

12

2 1 0 21

(2

1)4

(2

1

21 0

1 2 12

0

2 1 21 12

r

q q r

q q W

1

V q V

V1, V2 là điện thế tại điểm đặt q1 và q2 do q2, q1 gây ra

1.4.6.2 Với hệ ba điện tích điểm

)(

4

1

13

3 1 23

3 2 12

2 1

q q r

q q r

q q

( ) 4

4 ( ) 4

4

( 2

1

23 0 2 13

0

1 3 23 0 3 12

0

1 2 13 0 3 12

0

2 1

r

q r

q q r

q r

q q r

q r

q q

Luận văn tốt nghiệp Đại học Chương 1 Điện trường

1.4.6.3 Với hệ n điện tích điểm

i V q

k ik

k i

r

q q W

1 14 0

.2

VdS Vdv

2

12

1



Với: - S là diện tích mặt bao quanh thể tích V

- V là điện thế do tất cả các điện tích khối và mặt gây ra tại điểm đặt (dV, dS)

1.5 PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA TĨNH ĐIỆN PHƯƠNG PHÁP ẢNH ĐIỆN

1.5.1 Bài toán cơ bản của tĩnh điện học

Dạng xuôi: Biết sự phân bố các điện tích trong không gian ρ, tìm E

; V tại mỗi điểm

Dạng ngược: Biết V (E

) tại một số điểm, tìm ρ, V(E

) các điểm khác

Để giải bài toán này ta đi giải phương trình Poisson và Laplace

1.5.2 Phương trình cơ bản của tĩnh điện học

Định luật O - G dạng tích phân

D S q tudo

.Chuyển sang dạng vi phân:

Có: d D d  ABCD d  EFGH 

Với: d ABCD D S  D x.dy.dz



dx x

D D dz dy D S D

D y

D x

D dz dy dx z

D y

D x

D

)

( )(

z

D y

D x

(1.59) Biểu thức (1.58) và (1.59) là phương trình biểu thức định lý O - G dạng vi phân

Luận văn tốt nghiệp Đại học Chương 2 Điện môi

CHƯƠNG 2

ĐIỆN MÔI

2.1 SỰ PHÂN CỰC CỦA CHẤT ĐIỆN MÔI

2.1.1 Hiện tượng phân cực điện môi và hằng số điện môi

2.1.1.1 Hiện tượng phân cực điện môi

* Điện môi: Là những chất không có các điện tích tự do, các elêctron đều liên kết

chặt chẽ với các hạt nhân trong nguyên tử

Đặt một tấm điện môi (thuỷ tinh, nhựa…) vào trong điện trường của một vật mang điện A

Hình 2.1

Kết quả: Tại hai mặt giới hạn (B,C) đều xuất hiện các điện tích trái dấu (hình vẽ) Nếu điện môi không đồng nhất, đẳng hướng, thì xuất hiện cả điện tích bên trong chất điện môi Hiện tượng chất điện môi đăt trong điện trường, xuất hiện các điện tích trái dấu trên

bề mặt (hoặc cả bên trong) chất điện môi gọi là sự phân cực điện môi Khi đó, nói rằng

điện môi bị phân cực

Khác với hiện tượng hưởng ứng tĩnh điện trong vật dẫn, các điện tích trái dấu không thể di chuyển tự do, chúng luôn bị “định xứ” tại những vị trí cố định và liên kết chặt với hạt nhân nguyên tử Mặt khác, không thể tách rời các điện tích trái dấu đó ra khỏi nhau

Các điện tích đó gọi là các điện tích liên kết (điện tích phân cực)

- Các điện tích liên kết sinh ra điện trường phụ E

ngược chiều điện trường ngoài E 0

- Điện trường bên trong chất điện môi: E  E E 

0 (nhỏ hơn điện trường ngoài)

0 0

0 0

'1

Q

Q Q

Q Q Q

3.1.2 Cấu trúc phân tử của chất điện môi

Căn cứ vào sự phân bố của các điện tử quanh hạt nhân, chia điện môi làm hai loại:

- Điện môi không phân cực

- Điện môi phân cực

3.1.2.1 Điện môi không phân cực

- Là điện môi mà phân tử có các elêctrôn phân bố đối xứng xung quanh hạt nhân

- Ở trạng thái thường, tâm của các điện tích âm và dương trùng nhau Khi đó, mô men lưỡng cực điện Pe  0

- Một số chất điện môi không phân cực: (thường là các đơn chất và các hợp chất có tính đối xứng cao): H2, N2, CCl4, O2, …

Hình 2.2

3.1.2.2 Điện môi phân cực

- Là điện môi mà phân tử có các elêctrôn phân bố không đối xứng xung quanh hạt nhân

- Ở trạng thái thường, tâm của các điện tích âm và dương là khác nhau Khi đó, phân

tử coi như một lưỡng cực điện có mômen lưỡng cực điện Pe  l q  0

a) Phân tử không phân cực



b) Phân tử có cực

0 q