Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Chương 3: Vật dẫn - Đỗ Quốc Huy

Nội dung text: Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Chương 3: Vật dẫn - Đỗ Quốc Huy

1. Th.S Đỗ Quốc Huy BÀI GIẢNG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 2 Chuyên đề: VẬT DẪN (Để download tài liệu này, hãy đăng nhập vào diễn đàn của trang web champhay.com)
2. MỤC TIÊU Sau khi học xong chương này, SV phải : – Nêu được các tính chất của vật dẫn cân bằng tĩnh điện; hiện tượng điện hưởng và ứng dụng của hiện tượng điện hưởng. – Tính được điện dung của vật dẫn cô lập và điện dung của các loại tụ điện. – Tính được năng lượng điện trường.
3. NỘI DUNG I – Vật dẫn cân bằng tĩnh điện II – Hiện tượng điện hưởng III – Điện dung của vật dẫn cô lập IV – Tụ điện, điện dung của tụ điện V – Năng lượng điện trường.
4. I – VẬT DẪN CÂN BẰNG TĨNH ĐIỆN: 1 – Khái niệm về vật dẫn, vật dẫn cân bằng tĩnh điện: Vật dẫn là vật có các hạt mang điện tự do. Các hạt này có thể chuyển động khắp mọi điểm trong vật dẫn. Trong phạm vi hẹp, vật dẫn là các vật kim loại. Khi tích điện cho vật dẫn hoặc đặt vật dẫn trong điện trường tĩnh, các điện tích sẽ dịch chuyển trong vật dẫn và nhanh chóng đạt đến trạng thái ổn định, không chuyển động có hướng nữa – ta nói vật dẫn đang ở trạng thái cân bằng tĩnh điện
5. I – VẬT DẪN CÂN BẰNG TĨNH ĐIỆN: 2 – Tính chất của vật dẫn cân bằng tĩnh điện: a) Trong lòng vật dẫn không có điện → trường (E = 0). → E trong E0trong = b) Toàn vật dẫn là một khối đẳng thế. c) Mặt ngoài của vật dẫn, vectơ cường độ điện trường luôn vuông góc với bề mặt vật dẫn d) Nếu vật dẫn tích điện thì điện tích chỉ phân bố ở mặt ngoài của vật dẫn và tập trung tại các mũi nhọn. Hệ quả: vật dẫn rỗng ở trạng thái cân bằng tĩnh điện thì ở phần rỗng và thành trong của vật không có điện trường và điện tích.
6. 3 – Hiệu ứng mũi nhọn: Sự phân bố điện tích trên mặt vật dẫn phụ thuộc vào hình dạng của bề mặt vật dẫn. Những vật dẫn có dạng mặt cầu, mặt trụ dài vô hạn, mặt phẳng rộng vô hạn thì điện tích phân bố đều. Những vật dẫn có hình dạng bất kì thì điện tích tập trung nhiều tại các chỗ lồi ra. Tại các mũi nhọn, mật độ điện tích rất lớn, tạo nên điện trường rất mạnh. Điện trường này làm một số ion và electron có sẵn trong khí quyển chuyển động, va chạm với các phân tử khí, gây ra hiên tượng ion hóa, sinh ra rất nhiều hạt mang điện. Các hạt mang điện trái dấu với điện tích của mũi nhọn sẽ bị mũi nhọn hút vào, và do đó điện tích của mũi nhọn giảm dần. Các hạt mang điện trái dấu với điện tích của mũi nhọn sẽ bị đẩy ra xa mũi nhọn và chúng kéo theo các phân tử khí chuyển động, tạo thành luồng gió điện. Hiện tượng mũi nhọn bị mất dần điện tích và tạo thành gió điện được gọi là hiệu ứng mũi nhọn.
7. II – HIỆN TƯỢNG ĐIỆN HƯỞNG Hiện tượng xuất hiện các điện tích cảm ứng trên vật dẫn khi đặt vật dẫn trong điện trường ngoài được gọi là hiện tượng điện hưởng (hay hưởng ứng điện) Mọi đường sức của (S) + – + A đều tới B – + – – Điện + A B Độ lớn của điện tích hưởng – – + cảm ứng luôn bằng với + toàn – độ lớn của điện tích + phần trên vật mang điện
8. III – ĐIỆN DUNG CỦA VẬT DẪN CÔ LẬP: Một vật dẫn được gọi là cô lập về điện nếu gần nó không có vật nào khác có thể gây ảnh hưởng đến sự phân bố điện tích trên bề mặt của nó. Điện dung của vật dẫn cô lập là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của vật dẫn ở một điện thế nhất định, có giá trị bằng điện tích mà vật dẫn tích được khi điện thế của nó là một đơn vị điện thế. Q 1 F (micrô fara) = 10 – 6 F C = 1 nF (nanô fara) = 10 – 9 F V 1pF (picô fara) = 10 – 12 F Đơn vi đo điện dung là F (fara)
9. IV – TỤ ĐIỆN, ĐIỆN DUNG CỦA TỤ ĐIỆN: 1 – Tụ điện: Hệ hai vật dẫn đặt gần nhau sao cho giữa chúng luôn xảy ra hiện tưởng điện hưởng toàn phần. Hai vật dẫn đó được gọi là hai bản (hay hai cốt) của tụ điện. Các loại tụ điện:
10. 2 – Điện dung của điện: Là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện ở một hiệu điện thế nhất định, đo bằng thương số giữa điện tích của tụ điện với hiệu điện thế giữa hai bản tụ. Q C = U Tụ Trụ Tụ phẳng Tụ cầu 2h 0 0S 4 0 R 1 R 2 C = C = C = R 2 d RR21− ln( ) R1
11. 3 – Ghép tụ điện: Ghép nối tiếp Ghép song song 11 CC= =  i CC Ghép nối tiếp i i i C giảm QQ= QQ= i Ghép song  i song C tăng i UU=  i UU= i i
12. V – NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TRƯỜNG: 1 – Năng lượng của tụ điện: Dùng nguồn điện nạp điện tích vào hai bản của một tụ điện có điện dung C. Ban đầu, tụ điện chưa tích điện và hiệu điện thế giữa hai bản tụ bằng không. Ở thời điểm t, điện thế giữa hai bản tụ là u và điện tích của tụ là q. Trong thời gian dt tiếp theo, nguồn đưa thêm diện tích dq đến tụ. Vì dq rất nhỏ nên u coi như không đổi và công của nguồn là dA = udq = Cudu. Công toàn phần để nạp điện cho tụ đến khi hiệu điện thế U là: UU 1 A= dA = C udu = CU2 2 00 Công này chuyển hóa thành năng lượng của tụ điện. 1 1 Q2 1 Vậy, năng lượng của tụ điện là: W= CU2 = = QU 2 2 C 2
13. 2 – Năng lượng điện trường: Xét năng lượng của một tụ điện phẳng: 1 1 1 1 W= QU = ( ES).(Ed) = E22 Sd = E . 2 2o 2 o 2 o Năng lượng của tụ điện định xứ trong vùng không gian có điện trường. Vậy nơi nào có điện trường thì nơi đó có năng lượng. Điện trường có mang năng lượng – đó là một bằng chứng chứng tỏ điện trường là một dạng vật chất. 1 Đặt:  =  E2gọi là mặt độ năng lượng điện trường. Eo2 Thì năng lượng điện trường đều trong thể tích  là: W = E  Wd=   Tổng quát: E ()
14. BÀI TẬP 3.1 Tính điện dung của một vật dẫn hình cầu, cô lâp về điện M Tích điện Q cho quả cầu thì điện r thế tại M bên ngoài quả cầu là: kQ V = R r Suy ra, điện dung của quả cầu là: QR C == Vk Quả cầu có điện dung 1F thì phải có bán kính 9.109m!
15. BÀI TẬP 3.2 Chứng minh công thức tính điện dung của tụ điện phẳng + + + + + + + + Ta biết, điện thế tại một điểm d - - - - - - - - - - - trong lòng tụ điện là: x V = M  d 0 + -  Suy ra, hđt gữa 2 bản tụ điện là: d Qd UVV=MN − = = M x 00  S Vậy điện dung của tụ điện phẳng là: QS C ==0 Ud
16. BÀI TẬP 3.3 Chứng minh công thức tính điện dung của tụ điện trụ Ta biết, điện thế tại điểm M giữa 2 bản tụ điện là: 2kQ R V= ln 2 M hr Suy ra, hđt giữa 2 bản tụ điện là: 2kQ R 2 U= V+− − V = ln hR1 Vây điện dung tụ điện trụ là: Q h 2  h C = = = 0 RR U 2k.ln22 ln RR11
17. BÀI TẬP 3.4 Chứng minh công thức tính điện dung của tụ điện cầu Ta biết, điện thế tại điểm M giữa 2 bản tụ điện là: kQ kQ 1 1 VM = − = kQ( − ) r R22 r R Suy ra, hiệu điện thế giữa 2 bản tụ điện là: 1 1 R21− R U= V+− − V = kQ( − ) = kQ RRRR1 2 1 2 Vậy điện dung của tụ điện cầu là: Q R R 4  R R C = =1 2 = 0 1 2 U k(R2−− R 1 ) R 2 R 1