Bài giảng Vật lý A1: Chương 6

Chương 6 Vật dẫn thuộc bài giảng Vật lý A1, cùng nắm kiến thức trong chương này thông qua việc tìm hiểu các nội dung chính sau: vật dẫn cân bằng tĩnh điện, điện dung - tụ điện – năng lượng điện trường.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Vật lý A1: Chương 6 Chương VI. VẬT DẪNTrong tự nhiên vật chất chia làm ba loại: Vật dẫn, điện môivà bán dẫn. Vật dẫn là vật có chứa các hạt mang điện tự do,có thể chuyển động trong toàn bộ vật.Ở đây ta chỉ nghiên cứu kim loại, có các điện tích tự do làcác electron tự do chuyển động trong toàn mạng tinh thể củanó. Đó là vật dẫn kim loại §1. VẬT DẪN CÂN BẰNG TĨNH ĐIỆN1. Định nghĩaMột vật dẫn được tích điện mà các hạt mang điện của nó ởtrạng thái đứng yên, được gọi là vật dẫn cân bằng tĩnh điện.Trong kỹ thuật, vật dẫn cân bằng tĩnh điện là vật dẫn đượcnạp điện tích (thừa hoặc thiếu electron) hoặc vật dẫn đượcđặt trong điện trường khi tất cả điện tích trong nó đã đứngyên.2. Tính chất của vật dẫn cân bằng tĩnh điệna)Véctơ cường độ điện trường tại mọi điểm trong vật dẫncân bằng tĩnh điện bằng không.Thật vậy, xét một điện tích q bất kỳ trong vật dẫn cân bằngtĩnh điện, vì nó nằm yên nên lực tác dụng lên nó    F  qE  0  E  0b) Tại mọi điểm trên bề mặt của vật dẫn cân bằng tĩnh điện,véctơ phải vuông góc với bề mặt vật dẫn.Thật vậy, nếu tại một điểm nào đó trên bề mặt vật dẫn cân bằng tĩnh điện có véctơ E không vuông  với bề mặt, khi    góc đó ta phân tích E  En  Et ,thành phần Ft  qEt  0 khiếnq bị dịch chuyển và như vậy vật dẫn không còn ở trạng tháicân bằng tĩnh điện nữa.c) Vật dẫn cân bằng tĩnh điện là một khối đẳng thế, bề mặtvật dẫn là một mặt đẳng thế.Thật vậy, với hai điểm M, N bất kỳ trong lòng vật dẫn và ℓlà đường cong bất kỳ nối hai điểm đó, ta có:   VM  VN   Edl MN Theo tính chất a) vì E  0 nên VM = VN, tức là V = constbên trong lòng vật dẫn. Ngoài ra vì trên bề mặt vật dẫn E t  0 nên điện thế tại mọiđiểm trên bề mặt vật dẫn cũng bằng nhau. Vì điện thế làhàm liên tục toàn bộ vật là một khối đẳng thế.d) Điện tích chỉ phân bố trên bề mặt của vật dẫn cân bằng tĩnh điện.3. Một số hiện tượng ở vật dẫn cân bằng tĩnh điệna) Hiện tượng điện ở mũi nhọn: Vì điện tích phân bố không đều trên mặt vật dẫn cân bằng tĩnh điện. Cụ thể, điện tích tập trung dày đặc tại những chỗ lồi ra và thưa thớt ở những chỗ phẳng hoặc lõm vào ở bề mặt. Do đó ở những chỗ lồi ra, nhất là ở mũi nhọn, điện trường rất mạnh; còn ở những chỗ lõm vào điện trường rất yếu. Đối với các vật dẫn cân bằng tĩnh điện có bề mặt đối xứng (mặt cầu, mặt trụ, mặt phẳng rộng vô hạn) thì điện tích phân bố đều trên bề mặt của chúng.b) Hiện tượng nối đấtKhi vật A nhiễm điện được nối với vật B chưa nhiễm điện thì điện tích được truyền từ A sang B và phân bố lại trên cả hai vật. Khi đó mật độ điện tích trung bình trên mỗi vật sẽ nhỏ hơn trên vật A lúc ban đầu. Quả đất được xem là một vật dẫn cực kỳ lớn. Vì vậy khi vật nhiễm điện được nối đất thì điện tích coi như được truyền hết xuống vỏ quả đất. Trong kỹ thuật, vỏ các cỗ máy điện, xe bồn chở xăng, cột thu lôi đều được nối đất để đảm bảo an toàn và không gây nguy hiểm.c) Hiện tượng điện hưởng (còn gọi là hưởng ứng tĩnh điện)Là hiện tượng xuất hiện các điện tích cảm ứng trên bề mặt vật dẫn (lúc đầu ở trạng thái trung hoà về điện) khi được đặt trong điện trường.Khi ta đặt một khối kim loạivào điện trường E 0thì tất cả các electron tự do trong nó bị điện trường tác dụng lực F  e.E0 khiến chúng chuyển động ngượcchiều E 0 Kết quả là ở bề mặt, nơi đường sức điện trường đi vào, xuất đi ra) xuất hiện lớp điện tích dương. Chúng được gọi là các điện tích hưởng ứng, có độ lớn bằng nhau.Trong lòng khối kim loại sẽ xuất hiện điện trường phụ E’ngược chiều với điện trường E0. Điện trường E’ sẽ tác dụng   lên các electron lực F  e.E  ngược chiều với lực F0 . Trạng      thái cân bằng được thiết lập khi F   F0 , tức là E   E0Khi vật đã ở trạng thái cân bằng tĩnh điện (các electron tự do không di chuyển nữa)Hai loại hiện tượng điện hưởng:- Điện hưởng toàn phần: trường hợp mọi đường sức điện trường được xuất phát và kết thúc trong các vật tích điện của hệ kín; không có đường sức ra khỏi hệ hoặc từ ngoài đi vàohệ. Ví dụ: Hiện tượng điện hưởng giữa hai bản của một tụTrong trường hợp điện hưởng toàn phần, độ lớn của điện tích cảm ứng bằng độ lớn của điện tích trên vật mang điện.- Điện hưởng một phần: trường hợp hệ hở, có đường sức đi ra khỏi hệ hoặc từ bên ngoài đi vào hệ. Trong trường hợpđiện hưởng một phần, độ lớn của điện tích cảm ứng nhỏ hơn độ lớn của điện tích trên vật mang điện.d) Màn chắn tĩnh điệnDựa vào hiện tượng điện hưởng, người ta dùng màn chắn tĩnh điện (là hộp hoặc lưới kim loại) để bảo vệ thiết bị điện (đặc biệt là thiết bị vô tuyến) khỏi tác động của điện trường bên ngoài, nếu không dùng sẽ bị nhiễu rất mạnh. Trường hợp điện trường ngoài không quá mạnh, màn chắn chỉ cần có dạng lưới (ví dụ lớp lưới kim loại ở vỏ cáp điện) cũng đủ làm triệt tiêu ảnh hưởng của điện trường gây nhiễu.Chú ý rằng màn chắn tĩnh điện chỉ ngăn cản không cho điện trường từ bên ngoài xâm nhập vào trong. Nếu đặt điện tích Q bên trong màn chắn thì do hiện tượng điện hưởng, mặt trong của màn chắn sẽ tích điện trái dấu với Q, còn mặt ngoài sẽ tích điện cùng dấu với Q. Khi đó phía ngoài màn chắn vẫn có điện trường (tức là màn mất tác dụng “chắn”).§2. ĐIỆN DUNG - TỤ ĐIỆN – NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TRƯỜNG1. Điện dung của vật dẫn cô lập :Một vật dẫn được gọi là cô lập về điện (hay vật dẫn cô lập) nếu gần nó không có một vật nào khác có thể gây ảnh hưởng đến sự phân bố điện tích trên vật dẫn đang xét.Khi ta truyền cho vật dẫn A một điện tích Q nào đó. Theo t ...