Tài liệu luan van tot nghiep vat ly pptx

Ta truyền cho vật dẫn một điện tích q, khi vật dẫn đã ở trạng thái cân bằngtĩnh điện thì điện tích q chỉ đợc phân bố trên bề mặt của vật dẫn, bên trong vậtdẫn điện tích bằng 0 -ứ ng dụn

Lời cảm ơn

Lời cam đoan

Mục lục

Tran gggyhh

Mở đầu ………

Nội dung Phần 1: Vật dẫn trong điện trờng Điều kiện cân bằng tĩnh điện Tính chất của vật dẫn mang điện ………

Hiện tợng hởng ứng tĩnh điện ………

Điện dung – tụ điện ………

Năng lợng điện trờng ………

Phơng pháp ảnh điện ………

Phần 2: ứng dụng Dạng 1: Bài tập liên quan đến quả cầu dẫn điện (quả cầu kim loại) ……

Dạng 2: Bài tập áp dụng nguyên lí chồng chất ………

Dạng 3: Bài tập áp dụng định lí O – G ………

Dạng 4: Bài tập áp dụng phơng pháp ảnh điện ………

Dạng 5: Bài tập liên quan đến tụ điện ………

a Mở đầu

1 Lí do chọn đề tài:

-Các hiện tợng trong thiên nhiên thể hiện dới rất nhiều vẻ khác nhau nhng khoa học ngày nay cho rằng chúng đều thuộc vào một trong bốn dạng tơng tác cơ bản: tơng tác hấp dẫn, tơng tác điện từ, tơng tác yếu và tơng tác mạnh Trong đó tơng tác hấp dẫn và tơng tác điện từ là những tơng tác rất phổ biến Đối với các

vật thể thông thờng thì tơng tác hấp dẫn rất yếu ta có thể bỏ qua, nhng tơng tác

điện từ rất đáng kể Định luật có tính định lợng đầu tiên trong lĩnh vực điện từ là

định luật Culông Đó là định luật về tơng tác giữa hai điện tích điểm đặt trongchân không Khi chỉ có một điện tích thì điện tích đó gây ra trong không gianxung quanh một điện trờng Điện trờng giữ vai trò truyền tơng tác từ điện tíchnày sang điện tích khác Điện trờng là một dạng tồn tại đặc biệt của vật chất,

mà biểu hiện của nó là khi đặt một điện tích qo vào trong điện trờng đó thì điệntích qo sẽ chịu tác dụng của một lực điện Ta tiến hành đặt vật dẫn trong điện tr-ờng thì có các hiện tợng vật lý diễn ra nh thế nào?

-Vật dẫn là vật có các hạt mang điện tự do, các hạt mang điện này có thểchuyển động tự do trong toàn bộ vật dẫn Có nhiều loại vật dẫn ( rắn, lỏng,….)nhng ở đây ta chủ yếu khảo sát các vật dẫn kim loại Thực nghiệm đã xác nhận,kim loại có cấu trúc tinh thể ở trạng thái rắn, các ion dơng kim loại (tạo bởi hạtnhân và lớp electron ở lớp vỏ ngoài) do liên kết yếu với hạt nhân và bị cácnguyên tử bên cạnh tác động, tách khỏi nguyên tử gốc của chúng và trở thànhcác electron tự do (gọi là các electron dẫn) Nh vậy, trong vật dẫn kim loại cáchạt mang điện tự do là các electron dẫn, chúng có thể dịch chuyển dễ dàng từnguyên tử này sang nguyên tử khác trong mạng tinh thể Bình thờng, cácelectron tự do chuyển động nhiệt xung quang nút mạng tinh thể chuyển độngnhiệt giữa chúng (chuyển động “vi mô”) không làm ảnh hởng đến điện trờng

“vĩ mô” ở bên trong và ngoài vật dẫn

-Vì những lí do nh trên mà em chọn đề tài: “Vật dẫn trong điện trờng và ứngdụng” để làm khóa luận tốt nghiệp của mình Trong đề tài này em tiến hànhkhảo sát tính chất của vật dẫn kim loại, các hiện tợng vật lí xảy ra ở vật dẫn khi

đặt trong điện trờng, tìm hiểu các ứng dụng và giải các bài tập có liên quan

2 Mục đích:

Nghiên cứu những tính chất của vật dẫn (vật dẫn kim loại) và những hiện tợng

điện xảy ra khi đặt vật dẫn trong điện trờng, những ứng dụng của đề tài trong kĩthuật và giải các bài tập liên quan

3 Nhiệm vụ:

+ Tìm hiểu và giải thích đựơc tính chất của vật dẫn trong điện trờng

+ Tìm hiểu hiện tợng điện hởng; hệ vật dẫn tích điện cân bằng

+ Tìm hiểu về tụ điện: xác định điện dung của tụ điện và một số tụ điện thờngdùng trong kĩ thuật

+ Khảo sát năng lợng điện trờng

4 Đối tợng nghiên cứu:

+Vật dẫn (kim loại) đặt trong điện trờng

1.1: Vật dẫn trong điện trờng

1.1 : Điều kiện cân bằng tĩnh điện Tính chất của vật dẫn mang điện 1.1.1: Điều kiện cân bằng tĩnh điện.

-ở đây ta nghiên cứu các hiện tợng tĩnh điện , nghĩa là các hiện tợng trong đócác điện tích đã nằm cân bằng ( nghĩa là không chuyển động để tạo thành dòng

điện ) Trớc hết ta xét điều kiện cân bằng của các điện tích trong vật dẫn kim

-Trong vật dẫn kim loại có các electron tự do Dới tác dụng của điện trờngngoài dù nhỏ đến mức nào , các electron tự do này cũng chuyển dời có hớng vàtạo thành dòng điện Vì vậy, muốn các electron tự do này nằm cân bằng trongvật dẫn thì các điều kiện sau đây phải đợc thoả mãn

+ Véctơ cờng độ điện trờng tại mọi điểm bên trong vật dẫn phải bằng 0

= 0

+Thành phần tiếp tuyến của véc tơ cờng độ điện trờng tại mọi điểm bên trênmặt vật dẫn phải bằng 0

= 0 , =

Thật vậy nếu ≠ 0 và ≠ 0 thì các electron tự do bên trong và trên mặt vật

dẫn sẽ chuyển dời có hớng dới tác dụng của và cân bằng sẽ bị phá vỡ

1.1.2 Những tính chất của vật dẫn mang điện

a Vật dẫn là một vật đẳng thế (điện thế tại mọi điểm trên vật dẫn đều nh nhau)

Chứng minh: Ta xét một vật dẫn mang điện bên trong vật dẫn ta lấy hai điểm

M, N bất kì Hiệu điện thế giữa hai điểm đó là:

-Vì bên trong vật dẫn = 0 nên theo (3) điện thế tại mọi điểm bên trong vật dẫn

-Vậy vật dẫn cân bằng tĩnh điện là một khối đẳng thế Mặt vật dẫn là một mặt

đẳng thế

b Ta truyền cho vật dẫn một điện tích q, khi vật dẫn đã ở trạng thái cân bằngtĩnh điện thì điện tích q chỉ đợc phân bố trên bề mặt của vật dẫn, bên trong vậtdẫn điện tích bằng 0

-ứ ng dụng : Nếu ta đem một quả cầu kim loại mang điện cho tiếp xúc với mặt

trong của vật dẫn rỗng thì điện tích trên quả cầu mang điện sẽ đợc ding làmnghuyên tắc tích điện cho một vật và do đó nâng điện thế của một vật lên rấtcao Đó là nguyên tắc của máy phát điện Vande Graf cho phếp tạo ra hiệu điệnthế hầng triệu vôn

-Trung tâm của máy gia tốc Vande Graf là một thiết bị tạo hiệu điện thế vào

khoảng vài triệu vôn, bằng cách cho các hạt tích điện nh electron hoặc proton rơi qua hiệu điện thế đó có thểđợc tạo ra một chùm hật có năng lợng cao Trong

y học các chùm nh vậy đợc ding rộng rãi để điều trị một số loại ung th Trong vật lí, các chùm hật đã đợc gia tốc có thể đợc ding trong nhiều thí nghiệm “ bắn phá nguyên tử ”

Hình 2: Nguyên lí hoạt động của máy gia tốc Vande Graf

( Nếu hai vỏ cầu dẫn điện đồng tâm không nối với nhau về mặt điện, chúng có thể có điện tích nh hình vẽ Nhng nếu chúng đợc nối với nhau về mặt điện thì mọi điện tích đợc đặt vào vỏ trong đều sẽ chạy ra vỏ ngoài)

Hình 3: Bộ phận chính của máy gia tốc

-Hình 3 cho biết làm thế nào để tạo đợc điện thế cao trong một máy gia tốcVande Graf Một vỏ dẫn điện nhỏ có bán kính r đợc đặt vào trong một vỏ dẫn

điện lớn hơn với bán kính R Hai vỏ có điện tích tơng ứng bằng q và Q Nếu tanối hai vỏ bằng một dây dẫn thì các vỏ tạo thành một vật dẫn cô lập duy nhất.Khi đó điện tích q chuyển hoàn toàn ra mặt ngoài của vỏ lớn bất kể ở đó đã có

điện tích Q đến đâu Mọi sự chuyển điện tích nh vậy đều làm tăng điện thế củacác vỏ Các vỏ này có cùng điện thế vì chúng đợc nối với nhau bằng dây dẫn.-Trong thực tế điện tích đợc mang vào lớp vỏ trong nhờ một đai truyền tích điệnchuyển động nhanh (hình vẽ) Điện tích “ đợc phun ” vào đai truyền bên ngoàimáy nhờ một cái lợc “bàn chải” của “các điểm điện hoa” và đợc lấy ra khỏi đai

ở bên trong theo cùng một cách Vì điện tích bị cuốn đi từ bàn chải ở ngoài bởi

đai chuyển động, điện thế của điện tích này tăng lên Động cơ kéo đai cung cấpnăng lợng cho sự tăng thế của điện tích ở trên đai và do đó cho các điện tích củacác vỏ ở trong máy Với một máy gia tốc cho trớc, thế cực đại đạt đợc khi tốc

độ điện tích đợc đa vào vỏ bằng tốc độ điện tích rời khỏi vỏ ngoài do sự dò dọctheo các giá đỡ và bởi sự phóng điện hoa.

-Vì điện trờng bên trong một vật dẫn rỗng bằng 0 nên một vật dẫn khác nằmtrong vật rỗng sẽ không bị ảnh hởng bởi điện trờng bên ngoài Nh vậy, vật dẫnrỗng có tác dụng nh một màn bảo vệ cho các vật dẫn khác đặt ở bên trong nókhỏi bị ảnh hởng của điện trờng bên ngoài Vì thế, vật dẫn rỗng đợc gọi là mànchắn tĩnh điện Trong thực tế, những lới kim loại dày cũng có thể coi là mànchắn tĩnh điện Để tránh khỏi tác dụng nhiễu điện của điện trờng ngoài cácdụng cụ đo điện chính xác, một số đèn điện tử, dây tín hiệu điện… thờng đợcbảo vệ bởi các vỏ hoặc lới kim loại đã đợc nối đất

Hình 4: Màn chắn tĩnh điện

c Lý thuyết và thực nghiệm đã chứng tỏ sự phân bố điện tích trên mặt vật dẫnchỉ phụ thuộc vào hình dạng của mặt đó Vì lý do đối xứng trên những vật dẫn

có dạng mặt cầu, mặt phẳng vô hạn, mặt trụ dài vô hạn… điện tích đợc phân bố

đều Đối với nhữnh vật dẫn có hình dạng bất kì sự phân bố điện tích trên mặt vậtdẫn không đều

và xuất hiện ion dơng, ion âm và e Lúc này, mũi nhọn hút các điện tích trái dấu

và đẩy các điện tích cùng dấu và xuất hiện một luồng gió gọi là “gió điện” làmcho điện thế trên các vật dẫn giảm đi Hiện tợng mũi nhọn bị mất dần điện tích

và tạo thành gió điện đợc gọi là hiệu ứng mũi nhọn

-Trong một số máy tĩnh điện làm việc dới điện thế cao, để tránh mất mát điện

do hiệu ứng mũi nhọn sinh ra ngời ta thờng làm một số bộ phận kim loại củamáy không ở dạng mũi nhọn mà dới dạng mặt có bán kính cong hoặc mặt cầu…Ngợc lại, trong nhiều trờng hợp ngời ta sử dụng hiệu ứng mũi nhọn để phóng

+

nhanh điện tích tập trung trên vật ra ngoài khí quyển Ví dụ: khi máy bay bayqua những đám mây máy bay thờng bị tích điện Do đó, điện thế cuả thân máybay thay đổi, ảnh hởng đến việc sử dụng các thiết bị điện trên thân máy bay Vìvậy, trên thân máy bay đặc biệt là các máy bay có vận tốc lớn ngời ta thờng gắnmột thanh kim loại nhọn do hiệu ứng mũi nhọn điện tích trên thân máy bay sẽmất đi nhanh chóng.

1.2 Hiện tợng hởng ứng tĩnh điện

1.2.1 Hiện tợng hởng ứng tĩnh điện Định lý các phần tử tơng ứng.

a Hiện tợng hởng ứng tĩnh điện

-Khi đa một quả cầu A mang điện dơng lại gần vật dẫn cha mang điện BC Khi

đó quả cầu A gây ra xung quang nó một điện trờng E0 thì dới tác dụng của lực

điện trờng các electron trong vật dẫn sẽ chuyển dời có hớng, ngợc chiều điện ờng Kết quả là trên các mặt giới hạn B,C của vật dẫn xuất hiện các điện tíchtrái dấu, đầu B nhiễm điện âm, đầu C nhiễm điện dơng, độ lớn của các điện tích

tr-ở hai đầu B,C là nh nhau Các điện tích này gọi là các điện tích htr-ởng ứng

Hình 6: Hiện tợng hởng ứng tĩnh điện

-Ta xét một điểm M bên trong vật dẫn BC thì quả cầu A gây ra tại M điện trờngngoài không đổi, các điện tích hởng ứng gây ra bên trong vật dẫn một điện

trờng phụ ngày càng lớn và ngợc chiều với điện trờng ngoài Điện trờng

tổng hợp tại M: = + yếu dần đi Các electron tự do trong vật dẫn chỉngừng chuyển động có hớng khi cờng độ điện trờng tổng hợp bên trong vật dẫnbằng 0 và đờng sức điện trờng ở ngoài vuông góc với mặt vật dẫn tức là khi đóvật dẫn BC trở về trạng thái cân bằng tĩnh điện Khi đó các điện tích hởng ứng

có độ lớn xác định và ta dễ dàng khẳng định đợc điều nhận xét: điện tích hởngứng âm (do thừa electron ở đầu B) và điện tích hởng ứng dơng (do thiếuelectron ở đầu C) có độ lớn bằng nhau ở trên là đúng

⇒ Hiện tợng các điện tích hởng ứng xuất hiện trên vật dẫn (lúc đầu khôngmang điện) khi đặt trong điện trờng ngoài gọi là hiện tợng hởng ứng tĩnh điện

b Định lí các phần tử tơng ứng

-Gọi q là độ lớn của điện tích ở vật A, q’ là độ lớn của các điện tích hởng ứng

Ta vẽ đợc các đờng sức của điện trờng nh hình vẽ Ta xét tập hợp các đờng sức

điện trờng tựa trên chu vi của một phần tử diện tích S trên vật dẫn mang điện

A Giả sử tập hợp đờng sức điện trờng này tới tận cùng trên chu vi của phần tửdiện tích S’ trên vật dẫn BC Các phần tử diện tích S và S’ đợc chọn nh trêngọi là các phần tử tơng ứng

-Ta vẽ một mặt kín S hợp bởi ống đờng sức điện trờng và hai mặt ∑ và ∑’ lấytrong các vật A và BC Mặt ∑ tựa trên chu vi của S, mặt ∑’ tựa trên chu vi củaS’ Theo định lí O – G ta tính đợc điện thông gửi qua mặt kín S là:

q q q dS

D dS

D

S n S

-Gọi q là điện tích của vật dẫn A

-Gọi + q’ và - q’ là điện tích hởng ứng xuất hiện tại đầu C và đầu B của vật dẫnBC

-Trong trờng hợp này chỉ có một phần các đờng sức xuất phất từ vật A đến gặp

đầu B của vật dẫn BC, còn một phần các đờng sức của vật A đi ra vô cùng Đây

là hiện tợng hởng ứng tĩnh điện một phần áp dụng định lí về các phần tử tơngứng cho tập hợp các đờng sức điện trờng xuất phất từ A và tận cùng trên BC tacó: | q’ | < | q |

-Kết luận: Trong hiện tợng hởng ứng tĩnh điện một phần, độ lớn của điện tích ởng ứng nhỏ hơn độ lớn của điện tích trên vật mang điện

h-b Hiện tợng hởng ứng tĩnh điện toàn phần

Hình 7: Hiện tợng hởng ứng tĩnh điện toàn phần.

-Trong trờng hợp vật BC bao bọc kín vật mang điện A thì tất cả các đờng sứcxuất phát từ A đều điểm tận cùng trên vật dẫn BC Đó chính là hởng ứng tĩnh

điện toàn phần Trong trờng hợp này áp dụng định lí các phần tử tơng ứng ta có:

| q | = | q’ |

Kết luận: Trong hiện tợng hởng ứng tĩnh điện toàn phần, điện tích hởng ứng về

độ lớn bằng điện tích của vật mang điện

1.3 Điện dung – tụ điện.

1.3.1: Điện dung của vật dẫn cô lập.

-Một vật dẫn gọi là cô lập điện (gọi tắt là cô lập) nếu nó không chịu ảnh hởng

điện của các vật mang điện khác Nghĩa là các vật mang điện khác không gây

ảnh hởnggì đến sự phân bố điện tích trên vật dẫn đang xét Giả sử một vật côlập trung hoà điện, ta tích cho nó điện tích q, điện tích này sẽ phân bố ở ngoàimặt vật dẫn sao cho điện trờng bên trong vật dẫn bằng 0 Vật dẫn khi đó là mộtvật đẳng thế với điện thế bằng V Thực nghiệm chứng tỏ nếu tăng thêm điện

tích q cho vật dẫn thì điện thế V cũng tăng, nhng tỉ số

V

q

luôn không đổi vàbằng hằng số C nào đó gọi là điện dung của vật dẫn cô lập

- Ta nhận thấy rằng, với cùng 1 điện thế V, vật nào có điện dung C lớn thì vật

đó sẽ tích đợc một điện thế lớn hơn Vậy điện dung của vật dẫn là đại lợng đặctrng cho khả năng tích điện của vật dẫn đó Trong hệ đơn vị SI điện dung đợctích bằng fara (F)

q và V là điện tích và điện thế của quả cầu

-Vì quả cầu là vật dẫn nên điện thế tại mọi điểm của quả cầu là nh nhau và bằng

điện thế do điện tích Q coi nh đặt tại tâm quả cầu gây ra tại điểm cách tâm mộtkhoảng bằng bán kính R

điện đợc gọi là các bản của tụ điện.

-Vì các đờng sức bắt đầu từ một bản và tận cùng ở bản kia của tụ điện nên điệntích ở trên hai bản là bằng nhau về trị số và khác dấu Để tích điện cho tụ cónhiều cách: ta nối hai bản của tụ điện với hai cực của nguồn điện, bản dơng nốivới cực dơng, bản âm nối với cực âm của nguồn điện hoặc nối một bản của tụvới nguồn điện không đổi và bản kia nối đất

-Giả sử ở một trạng thái nào đó của tụ điện, giá trị tuyệt đối của điện tích trêncác bản là q, hiệu điện thế giữa hai bản là: U = V1 – V2 Ta xét một trạng tháikhác của tụ điện trong đó q’= nq và hiệu điện thế giữa hai bản cũng biến đổi nlần: V1’ – V2’ = n ( V1 – V2 )

C V V

q V

-Kết luận: Điện dung của tụ điện có giá trị bằng điện tích trên các bản khi hiệu

điện thế giữa hai bản bằng một đơn vị điện thế

-Trong hệ SI, đơn vị điện dung là 1 fara ( F V C

1

1

-Điện dung của một tụ điện phụ thuộc vào hình dạng, kích thớc và vị trí tơng

đối của các bản và vào môi trờng ở giữa hai bản Khi giữa hai bản có chất điện

môi, điện dung của tụ điện lớn hơn khi giữa hai bản là chân không Nếu chất

điện môi là đồng chất, chứa đầy không gian giữa hai bản, điện dung tăng lên lần ( là hằng số điện môi của chất điện môi)

b Điện dung của một số tụ điện

+ Tụ điện phẳng

-Đó là hệ hai bản kim loại phẳng cùng diện tích S đặt song song và cách nhaumột đoạn d Hai bản này là hai bản của tụ điện Khoảng cách d rất bé so vớikhoảng cách của hai bản Do đó điện trờng giữa hai bản đợc coi nh gây bởi haimặt sonh song vô hạn mang điện với mật độ điện bằng nhau nhng trái dấu.Hai bản đợc coi là hởng ứng tĩnh điện toàn phần Gọi V1 là điện thế của bảnmang điện tích +q còn V2 là điện thế của bản mang điện tích –q

-Ta có: Điện dung C đợc xác định từ công thức

U

q V

q

C= =εεo

ta nhận thấy muốn tăng điện dung C thì phải tăng S

và giảm d Tăng S thì kích thớc của tụ sẽ lớn, giảm d (mà E không đổi) thì Ugiảm Nhng mỗi tụ điện chỉ chịu đợc một hiệu điện thế U nhất định, quá hiệu

điện thế đó sẽ xảy ra hiện tợng phóng điện giữa hai bản tụ Hiệu điện thế lớn

nhất mà mỗi tụ có thể chịu đợc gọi là hiệu điện thế đánh thủng Vậy ta có thểtăng điện dung bằng cách ghép song song các tụ hoặc tăng hằng số điện môi .+ Tụ điện cầu

Tụ điện cầu là tụ điện mà hai bản của tụ là hai mặt cầu đồng tâm tích điện tráidấu, giữa chúng xảy ra hiện tợng hởng ứng tĩnh điện toàn phần Để tính cờng độ

điện trờng tại M cách tâm mặt cầu một khoảng r (R1< r < R2) ta chọn mặtGauxơ là mặt cầu tâm O bán kính r

-Theo định lí O – G ta có:

2

4 dS E S E r E

dS E dS

E

N

n S

dV dr

dV E

dr

q dV

V V

1

2 2 1

V V

q U

q C

1 2

2 1 0

2 1

0 2

1

4 1

-Nếu bản ngoài rất xa bản trong ( R2 >> R1)thì: C = 4 πεo R1 và kềt quả này cũng

đúng cả trong trờng hợp nếu bản ngoài không có dạng hình cầu nhng rất xa bảntrong Khi đó thì C = 4 πεo R1 là điện dung của một quả cầu cô lập

-Nếu khoảng không gian giữa hai bản của tụ điện chứa đầy điện môi có hằng số

điện môi là ε thì điện dung của tụ điện cầu là:

1 2

2 1

4

R R

R R

−

+ Tụ điện trụ

Hai bản của tụ điện là hai mặt mặt trụ kim loại đồng trục có bán kính R1 , R2

Nếu chiều cao l rất lớn so với các bán kính R1,R2 ta có thể coi điện trờng giữahai bản nh điện trờng gây ra bởi hai mặt trụ mang điện dài vô hạn Khoảngkhông gian giữa hai bản của tụ điện hình trụ là chân không (là không khí), giữachúng xảy ra hiện tợng hởng ứng tĩnh điện toàn phần

-Để tính cờng độ điện trờng tại M nằm trong khoảng không gian giữa hai bản tụ

và cách trục hình trụ một khoảng r ( R1 < r < R2 ) ta chọn mặt Gauxơ đồng trụcvới hai mặt trụ của tụ điện đồng thời quy ớc vẽ vectơ pháp tuyến →

nvới mặt trụhớng từ trong mặt trụ

-Theo định lí O – G ta có: N =

-Với hai mặt đáy của hình trụ thì nên điện thông gửi qua hai mặt đáybằng 0 ⇒ Điện thông gửi qua mặt S là điện thông gửi qua mặt xung quanh là:

S E dS

E dS

ε

= ⇒

rl

q E

dr l

q

R

0 0

R

R l

1 ln

2

R R

l V

-Nếu khoảng không gian giữa hai bản của tụ điện hình trụ chứa điện môi đồng

chất có hằng số điện môi thì điện dung của tụ điện hình trụ là:

l

C= πεεo

-Nếu khoảng cách giữa hai bản d = R2 – R1 << R1 thì theo công thức tính gần

d R

R

R R

R

R R

R

1 1

1 2

1

1 2

1

2

1 ln

S = 2 là diện tích của mỗi bản tụ

-Tuy nhiên với một chất điện môi xác định ta không thể tăng điện dung của tụ

điện bằng cách giảm mãi khoảng cách giữa hai bản đợc, vì khi đó điện trờnggiữa hai bản sẽ rất lớn làm cho chất điện môi giữa hai bản trở thành dẫn điện,

điện tích trên hai bản sẽ phóng qua lớp điện môi của tụ điện, khi đó ta nói tụ

điện bị đánh thủng Hơn nữa ta cũng không thể đặt vào các bản của tụ điện hiệu

điện thế lớn quá mức chịu đựng của tụ điện Nh vậy, muốn có những tụ điệnkích thớc nhỏ, điên dung lớn cần chọn những chất điện môi có hằng số điệnmôi lớn và chịu đợc hiệu điện thế đánh thủng cao

-ứng dụng: Một số tụ điện thờng dùng trong kĩ thuật.

+Tụ điện có giấy tẩm parafin (tụ điện mica) Tụ này gồm những lá thiếc (lá kimloại khác) cuộn nhiều lớp tạo thành hình trụ, cứ giữa hai lớp lại đệm một tờ giấy

có tẩm parafin hay một lá mica dùng làm chất cách điện Điệndung của tụ điệnnày có thế lên tới 10-2 F và tụ có thể chịu đợc hiệu điện thế lên tới vài trăm vôn.Loại tụ điện này gồm các tụ mắc song song với nhau

+Tụ điện điện phân: Để có đợc điện dung C lớn trong những tụ điện có kích

th-ớc nhỏ ngời ta dùng tụ điện điện phân Loại tụ này đợc chế tạo bằng cách điệnphân một dung dịch bicacbonat, phot phat, xitrat hay borat kiềm với hai cực

bằng nhôm Do kết quả điện phân ta thu đợc một lớp Al2O3 trong suốt cách điệndày khoảng 2.10-6 m Nh vậy ta thu đợc một tụ điện điện phân: một bản là cựcdơng Al Vì lớp cách điện rất mỏng nên điện dung của tụ điện điện phân rất lớn.Một tụ điện điện phân có dạng hình ống cao từ 10ữ15.10-2 m, đờng kínhkhoảng 2ữ3.10-2 m sẽ có điện dung bằng 1200 pF và chịu đợc hiệu điện thế lớnnhất khoảng 600ữ700 V Nếu bề dày của lớp Al2O3 thay đổi thì hiệu

điện thế lớn nhất mà tụ có thể chịu đợc cũng thay đổi Nhợc điểm của loại tụ

điện này là điện dung thờng không ổn định, chỉ dùng đợc với hiệu điện thế mộtchiều, bản cực dơng Al phải nối với cực dơng của nguồn Nếu nối bản dơng Alvới cực âm thì lớp Al2O3 sẽ bị phân huỷ, các bản bị ngắn mạch, tụ điện sẽ bịhỏng

+ Tụ điện có điện dung thay đổi đợc (tụ xoay): Tụ điện gồm hai hệ thống bảnkim loại (thờng có hình bán nguyệt) riêng biệt đặt xen kẽ nhau trong không khí.Các bản kim loại thuộc cùng một hệ thống đợc nối với nhau bằng một thanhdẫn điện và tụ điện cũng là một bộ gồm nhiều tụ điện mắc song song nhau Mộttrong hai hệ thống đợc gắn cố định, còn một bản có thể quay xung quanh mộttrục Khi hệ thống bản này quay xung quanh trục thì diện tích đối diện của hai

hệ thống bản thay đổi, điện dung của tụ điện sẽ biến thiên Loại tụ điện này ờng đợc dùng trong các máy thu thanh

th-1.3.3: Ghép các tụ điện.

1.3.3.1: Ghép song song các tụ điện.

- Ta có n tụ điện mắc song song với nhau mắc vào nguồn điện nh hình vẽ vànguồn điện có hiệu điện thế: V1 – V2

V1 V2

C C

C V

V

q

C

1 2

1 2

1

.

1.3.3.2: Ghép nối tiếp các tụ điện.

Ta có hai tụ điện mắc nối tiếp với nhau nh hình vẽ

V1 C1 C2 V2

q1 q2

Hai tụ điện này đợc mắc vào nguồn điện có hiệu điện thế là: V1 – V2

Do hiện tợng hởng ứng tĩnh điện toàn phần trên mỗi tụ đều có hiệu điện tích làq

⇒Hiệu điện thế trên mỗi tụ là:

'

C

q V

C C q V

V

⇒Điện dung tơng đơng của bộ tụ điện mắc nối tiếp:

2 1

2

1 1 1

1

C C q

W

o

1 2

πεε : là điện thế do q2 gây ra tại điểm đặt của q1

Các tụ điện đợc ghép thành bộ vừa ghép

song song, vừa ghép nối tiếp Để tìm

điện dung C của hệ này ta sử dụng lần

lợt các công thức tính điện dung của hai

cách ghép trên

πεε : là điện thế do q1 gây ra tại điểm đặt của q2

⇒Thế năng tơng tác (cũng chính là năng lợng) của hệ hai điện tích điểm q1, q2

cách nhau một khoảng r là: W = 1 1 2 2

2

1 2

1

V q V

q +

-Đối với hệ gồm n điện tích điểm thì năng lợng của hệ điện tích điểm đó là:

V q V

q

2

1 2

1

2

1

C

q CV

2 2

2

1 2

-Đối với tụ điện: Khi tích điện cho tụ ta nối hai bản tụ với hai cực của nguồn

điện Khi đó nguồn điện phải thực hiện một công để đa các điện tích tới hai bản

tụ Khi hiệu điện thế giữa hai bản là U mà nguồn tiếp tục đa một lợng điện tích

đến tích vào hai bản tụ thì nguồn điện phải thực hiện một công để thắng lực tĩnh

2

= tìm đợc trên cơ sở lậpluận cho tụ điện tích điện và năng lợng đó có thể định xứ trên các điện tích ởhai bản tụ

- Cả lí thuyết và thực nghiệm đều xác nhận trờng điện từ biến thiên theo thờigian tồn tại ngay cả khi không có điện tích và dòng điện Trờng điện từ biếnthiên lan truyền tạo thành sóng điện từ Sóng điện từ mang năng lợng Nh vậynăng lợng điện từ nói chung và năng lợng điện nói riêng định xứ trong trờng

-Điện trờng mang năng lợng Vậy phần năng lợng của tụ điện là năng lợng của

điện trờng tồn tại giữa các bản của tụ điện

-Ta xét trờng hợp tụ điện phẳng thì điện trờng giữa hai bản tụ là điện trờng đều