Chương 10 VẬT DẪN VÀ ĐIỆN MÔI
1. Điều kiện cân bằng tĩnh điện. Tính chất của vật dẫn ang điện
1.2. Những tính chất của vật dẫn ang điện
Từ những ịnh luật tĩnh iện v i u kiện cân bằng tĩnh iện ở trên, chúng ta dễ dàng chứng minh tính chất của vật dẫn cân bằng tĩnh iện nh s u:
a) Vật dẫn là khối đẳng thế
X t h i i m M,N bất kì trong vật dẫn. Hiệu iện th giữ h i i m ó ợc xác ịnh bởi:
VM – VN = (10.3)
vì . Nên VM = VN
Vì vậy iện th t i mọi i m bên trong vật dẫn bằng nh u. t ng tự, trên mặt vật dẫn và từ (10.3) t ó iện th t i mọi i m trên mặt vật dẫn u bằng nhau. Do tính liên tục củ iện th : Điện th t i mọi i m sát mặt vật dẫn sẽ bằng iện th t i một i m
0
Et
n
t E
E E
Et
En
0
Et N
M
t d l E q
A . 0
0
Et
En E
0 .
E dS
N
M trong
0
trong
E
0
Et
295
trên mặt vật dẫn. Vậy iện th t i mọi i m của vật dẫn u bằng nhau. Nói một cách khác: Vật dẫn cân bằng tĩnh điện là một khối đẳng thế. Mặt vật dẫn là một mặt đẳng thế.
b) phân bố điện tích trên vật dẫn
Bây giờ t t ởng t ợng lấy một mặt kín (S) bất kì trong vật dẫn (hình 10.2). Theo ịnh lý Ôxtrôgratxki – G ox, thông l ợng cảm ứng iện qua mặt kín (S) bằng tổng i số iện tích nằm trong mặt ó.
(10.4)
Bên trong vật dẫn , nên . Vậy tổng i số iện tích bên trong vật dẫn bằng không. N u ta truy n cho vật dẫn một iện t h, thì iện tích sẽ chuy n ra b mặt vật dẫn và chỉ ợc phân bố trên b mặt vật dẫn ó.
Thật vậy, khi ta truy n cho vật dẫn một iện t h q n o ó. Khi vật dẫn ở tr ng thái cân bằng tĩnh iện, thì iện tích q chỉ phân bố trên b mặt vật dẫn.
Vậy: Điện tích trên vật dẫn cân bằng tĩnh điện chỉ phân bố trên bề mặt vật dẫn
Thực nghiệm ã ho thấy, iện tích trong vật dẫn chỉ phân bố trên một lớp rất mỏng khoảng vài nguyên tử trên b mặt của vật dẫn.
i
S
q S
d D.
) (
0 0
trong
E
D qi 0
Hình 10.2: Trong lòng vật không có điện tích
Đi u này có th giải th h ợc dễ dàng là khi truy n iện tích cho vật dẫn, n u iện tích bên trong vật dẫn nó sẽ gây ra một iện tr ờng n o ó và làm dịch chuy n iện tích khác t o thành dòng iện, i u này trái với i u kiện của vật dẫn cân bằng tĩnh iện (nói úng h n, iện tích âm v d ng n trong vật dẫn trung hòa lẫn nhau và không t o r iện tr ờng).
Hình 10.3: Phần rỗng và thành trong không có điện tích và điện
trường
296
N u t em một quả cầu kim lo i m ng iện cho ti p xúc với mặt trong c ủa vật dẫn rỗng thì iện tích trên quả cầu m ng iện sẽ ợc truy n
h t ra mặt ngoài vật dẫn rỗng (Hình 10.4: a, b, c, d)
K t quả n y ợc dùng làm nguyên tắ t h iện cho một vật v do ó n ng iện th của vật lên rất o. Đó ng h nh l nguy n tắ ph t tĩnh iện Vande Graf cho phép t o ra các hiệu iện th hàng triệu vôn.
Thật vậy, m y ph t tĩnh iện V nde Gr f ợ trình y nh (hình 10.5). Máy gồm một nguồn một chi u khoảng 30.000V, qu m i nhọn 2, iện tích chuy n n mặt trong của quả cầu rỗng 1.
Hình 10.4: Thí nghiệm về hiện tượng điện hưởng toàn phần
Vì l do tr n y, n u ta khoét rỗng một vật dẫn ặc thì sự phân bố iện tích trên mặt vật dẫn vẫn không h bị th y ổi, nghĩ l :
Đối với vật dẫn rỗng đã ở trạng thái cân bằng tĩnh điện, điện trường ở phần rỗng và điện tích trong thành của vật dẫn rỗng cũng luôn bằng không.
C iện tích này lập tức chuy n ra ngoài theo tính chất của vật dẫn. Và cứ nh vậy lần s u iện tích từ mặt trong l i ợc ti p nhận và chuy n ra mặt ngoài.
Quá trình chuy n liên tụ l m ho iện tích mặt ngoài rất lớn và làm cho vật dẫn ó iện th rất o. Điện th của quả cầu
có th t n 3.000.000V. Hình 10.5: Nguyên tắc làm việc của máy phát tĩnh điện Vande Graf
+ _ +
+
+ + + +
+ +
+ + + + + +
+ + + +
+
2
1
+3.000.000 V
30.000 V
297
c) Lý thuy t và thực nghiệm chứng tỏ sự phân bố iện tích trên mặt vật dẫn chỉ phụ thuộc vào hình d ng của mặt ó. Vì l do ối xứng, trên những vật dẫn có d ng mặt cầu, mặt phẳng vô h n, mặt trụ dài vô h n.v.v… iện t h ợc phân bố u. Đối với những vật dẫn có hình d ng bất kì, sự phân bố iện tích trên mặt vật dẫn sẽ không u.
Trên (hình 10.6) ta thấy chỗ l m iện tích gần nh ằng không, t i chỗ lồi ho ặc m i nhọn iện tích hầu nh tập trung t i ó. Nh vậy iện tích tập trung t i m i nhọn nên vùng không gian lân cận t i m i nhọn iện tr ờng rất m nh. ới tác dụng c ủa iện tr ờng n y ion d ng, ion m v ele tron sẵn có trong không khí chuy n ộng rất nhanh va ch m với các phân tử gây nên hiện t ợng ion hó l m trung hò iện tích t i m i nhọn v iện tích t i m i nhọn mất dần. Các h t cùng dấu bị ẩy ra xa kéo theo không khí t o th nh gió iện, y h nh l hiệu ứng m i nhọn.
Chẳng h n, khi bay qua những m m y, m y y th ờng bị t h iện. o ó iện th của thân máy bay th y ổi, ảnh h ởng n việc sử dụng các thi t bị iện trên máy bay. Vì vậy tr n th n m y y ng ời t th ờng gắn một thanh kim lo i nhọn ( ho ặc dây kim lo i mảnh ). Do hiệu ứng m i nhọn, iện tích trên thân máy bay sẽ mất i nh nh chóng.
Hình 10.6: Điện tích chủ yếu tập trung tại chỗ lồi
Trong một số m y tĩnh iện làm việ d ới iện th o, tránh mất m t iện do hiệu ứng m i nhọn sinh ra, ng ời t th ờng làm một số bộ phận kim lo i của máy không ở d ng m i nhọn, m d ới d ng mặt có bán kính cong lớn hoặc mặt cầu…
Ng ợc l i, trong nhi u tr ờng hợp, ng ời ta sử dụng hiệu ứng m i nhọn phóng nhanh iện tích tập trung trên vật ra ngoài không khí.
298
2.Vật dẫn trong điện trường ngoài