intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Bài giảng Lý thuyết trường điện từ: Chương 5 - TS. Nguyễn Việt Sơn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:47

Thêm vào BST
Báo xấu
11
lượt xem 2
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Lý thuyết trường điện từ: Chương 5 - Vật dẫn, điện môi, điện dung" được biên soạn với các nội dung chính sau đây: Dòng điện - mật độ dòng điện; Vật dẫn kim loại; Phương pháp soi ảnh; Chất điện môi; Phương pháp lưới;... Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Lý thuyết trường điện từ: Chương 5 - TS. Nguyễn Việt Sơn

  1. LÝ THUYẾT TRƯỜNG ĐIỆN TỪ Chương 5: Vật dẫn - Điện môi - Điện dung I. Dòng điện - Mật độ dòng điện II. Vật dẫn kim loại III. Phương pháp soi ảnh IV. Bán dẫn V. Chất điện môi VI. Điện dung VII. Phương pháp đường sức - đẳng thế VIII. Phương pháp lưới 2015 - Lý thuyết trường điện từ - Nguyễn Việt Sơn 1
  2. Chương 5: Vật Dẫn - Điện Môi - Điện Dung I. Dòng điện - Mật độ dòng điện  Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện dương (tốc độ biến thiên của điện tích theo thời gian). dQ I [ A] dt  Mật độ dòng điện J [A/m2] đo sự phân bố dòng điện trên một đơn vị diện tích.  Dòng điện chảy ra khỏi mặt ΔS vuông góc với mật độ dòng điện, được tính theo công thức: ΔI = JNΔS  Nếu ΔS không vuông góc với mật độ dòng điện: ΔI = J.ΔS  Tổng dòng điện qua mặt S có mật độ dòng điện J được tính theo công thức: I   J  dS S 2015 - Lý thuyết trường điện từ - Nguyễn Việt Sơn 2
  3. Chương 5: Vật Dẫn - Điện Môi - Điện Dung I. Dòng điện - Mật độ dòng điện Q  V V z  Vật mang điện có hàm mật độ điện tích khối ρV S Q  V V  V S L y  Đơn giản hóa: Coi vật dịch chuyển song song với trục x: Δx trong khoảng thời gian Δt x L Q  V S x z Q  V V  Vậy trong Δt, lượng dòng điện ΔI chảy qua mặt vuông góc với phương Δx là: S y Q x I   V S  I  V Svx  J x S t t x x L  Vậy ta có: J  V v 2015 - Lý thuyết trường điện từ - Nguyễn Việt Sơn 3
  4. Chương 5: Vật Dẫn - Điện Môi - Điện Dung I. Dòng điện - Mật độ dòng điện Ví dụ: Cho vector mật độ dòng điện J  10  2 zaρ  4  cos2 aφ A / m2 Tính tổng dòng điện chảy qua mặt tròn ρ = 3, 0 < φ < 2π, 1 < z < 2 Giải:   Áp dụng công thức: I  J  dS  J  3  dS S  S J  3  10.32 za ρ  4.3cos 2  a φ  90 za ρ  12cos 2  aφ  Ta có: dS   d dzaρ  3d dzaρ  Suy ra: z  2   2 z 2 I   J  dS   270 zd dz    270 zd dz   2 .270 zdz  2,54 A S S z 1 0 z 1 2015 - Lý thuyết trường điện từ - Nguyễn Việt Sơn 4
  5. Chương 5: Vật Dẫn - Điện Môi - Điện Dung I. Dòng điện - Mật độ dòng điện  Xét một mặt kín S: I   J  dS S  Theo định nghĩa: Dòng điện chảy ra khỏi mặt kín tỷ lệ với độ giảm của hạt mang điện tích dương (tỉ lệ với độ tăng của hạt mang điện tích âm).  Gọi Qi là các hạt mang điện trong một mặt kín. dQi I   J  dS    trong đó Qi  V dv S dt V d V  Định lý Dive:  J  dS   (  J )dv   (  J ) dv     dv    dv t V S V V dt V V V V  (  J )v   v  J   t t 2015 - Lý thuyết trường điện từ - Nguyễn Việt Sơn 5
  6. Chương 5: Vật Dẫn - Điện Môi - Điện Dung I. Dòng điện - Mật độ dòng điện et Ví dụ: Khảo sát mật độ dòng điện:J  ar A/m2 r  Tại t = 1s, tổng dòng điện chảy ra khỏi mặt cầu kín bán kính 1 1  Bán kính r = 5m: I  J r S  e 4 52  23,1 A 5 1 1  Bán kính r = 6m: I  J r S  e 4 6  27, 7 A 2 6 V  1 t  1   2 1 t  1 t  Mật độ điện tích khối:     J     e ar   2  r e   2 e t r  r r  r  r khi r  1 1 1 t V    2 et dt  K (r )  2 et  K (r )    3 V 2 e C/m r r V  0 r 1 t e Jr  Vận tốc dịch chuyển của điện tích: J  V v  vr   r  r m/s V 1 e t 2015 - Lý thuyết trường điện từ - Nguyễn Việt Sơn r2 6
  7. Chương 5: Vật Dẫn - Điện Môi - Điện Dung II. Vật dẫn kim loại 1. Khái niệm  Cấu tạo của một nguyên tử: Năng lượng = Động năng + thế năng  Hạt nhân mang điện tích dương.  Các electron mang điện tích âm chuyển động xung quanh.  Electron ở mức năng lượng thấp có quỹ đạo chuyển động gần hạt nhân (và ngược lại).  Khi electron chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác thì nó sẽ nhận (hoặc phát) ra năng lượng.  Các electron hóa trị có mức năng lượng cao nhất  dễ bị kích thích, thoát ra khỏi trạng thái cân bằng và trở thành các electron tự do (dòng các electron tự do). 2015 - Lý thuyết trường điện từ - Nguyễn Việt Sơn 7
  8. Chương 5: Vật Dẫn - Điện Môi - Điện Dung II. Vật dẫn kim loại 1. Khái niệm Vùng dẫn Năng lượng Vùng dẫn Vùng trống Vùng dẫn Vùng trống Vùng hóa trị Vùng hóa trị Vùng hóa trị Vật dẫn điện Vật bán dẫn Vật cách điện  Xét electron tự do trong vật dẫn điện, đặt ở trong cường độ trường E F = - eE  Chân không: Vận tốc electron sẽ tăng liên tục  Vật dẫn: Vận tốc electron tiến đến giá trị trung bình J  v v v d   e E   J    e e E μe [m2/Vs]: độ cơ động của 2015 - Lý thuyết trường điện từ - Nguyễn Việt Sơn electron (luôn dương) 8
  9. Chương 5: Vật Dẫn - Điện Môi - Điện Dung II. Vật dẫn kim loại 1. Khái niệm J   e eE ρe: mật độ điện tử tự do (luôn âm)  Trong các vật dẫn kim loại, ta có quan hệ: J E σ [S/m]: độ dẫn điện (điện dẫn suất)  Độ dẫn điện (điện trở suất) của vật dẫn thay đổi theo nhiệt độ (VD: Điện trở suất của đồng nhôm bạc thay đổi khoảng 0,4% khi nhiệt độ tăng 10K).  Nhiều vật dẫn trở thành siêu dẫn (điện trở suất 0) khi nhiệt độ xấp xỉ 00K (VD: Nhôm trở siêu dẫn ở t0 ~1,140K).   e e 2015 - Lý thuyết trường điện từ - Nguyễn Việt Sơn 9
  10. Chương 5: Vật Dẫn - Điện Môi - Điện Dung II. Vật dẫn kim loại S σ 1. Khái niệm J = const  Xét dây dẫn hình trụ, có J và E đẳng hướng E = const I L I   J  dS  JS  J    E S S b b    Ta có: Vab   E  dL  E  dL  E  Lba  E  L ab  V  EL a a I V L  Suy ra:    V  I S L S    V  RI (Luật Ohm) L  với R  S b   E  dL Vab  Điện trở của dây dẫn có thể tính theo công thức: R   a 2015 - Lý thuyết trường điện từ - Nguyễn Việt Sơn I   E  dS S 10
  11. Chương 5: Vật Dẫn - Điện Môi - Điện Dung II. Vật dẫn kim loại 2. Tính chất vật dẫn - Điều kiện bờ  Xét điều kiện tĩnh: Giả thiết tồn tại các electron bên trong một vật dẫn.  Cường độ trường của các electron làm chúng chuyển động ra bề mặt của vật dẫn và có xu hướng tách rời nhau.  Mật độ điện tích tại mọi điểm bên trong vật dẫn bằng không, bề mặt vật dẫn xuất hiện một điện tích mặt.  Tại mọi điểm trong vật dẫn, dòng điện bằng không  cường độ điện trường tại mọi điểm trong vật dẫn bằng không (theo luật Ohm) 2015 - Lý thuyết trường điện từ - Nguyễn Việt Sơn 11
  12. Chương 5: Vật Dẫn - Điện Môi - Điện Dung II. Vật dẫn kim loại 2. Tính chất vật dẫn - Điều kiện bờ Chân không EN E D  Xét bề mặt phân cách vật DN a Δw b ΔS dẫn và chân không. Δh Δh Δh Et d Δw c  Vector: E = EN + Et ; D = DN + Dt Dt Vật dẫn  Ta có:  E  dL  0 b c d a       0  h h a b c d   Et w  EN , tai b  EN , tai a  0  Et  0  2 2    Trong vật dẫn: E = 0 h  0  Dt  0  Áp dụng luật Gauss: Q   D  dS        S tren duoi xung quanh   DN S  Q   S S   N  D  S ;  tren  0 ;   0 duoi D    E xungquanh N S 0 N 2015 - Lý thuyết trường điện từ - Nguyễn Việt Sơn 12
  13. Chương 5: Vật Dẫn - Điện Môi - Điện Dung II. Vật dẫn kim loại 2. Tính chất vật dẫn - Điều kiện bờ Chân không EN E Et  Dt  0 D DN DN   0 EN   S ΔS a Δw b Δh Δh Δh Et x d Δw c Vxy    E  dL  0 Dt y Vật dẫn  Tính chất của vật dẫn trong điện trường tĩnh  Cường độ điện trường tĩnh bên trong vật dẫn bằng không.  Tại mọi điểm trên bề mặt của vật dẫn, vector cường độ điện trường tĩnh luôn vuông góc với bề mặt tại điểm đó.  Bề mặt của vật dẫn có tính đẳng thế. 2015 - Lý thuyết trường điện từ - Nguyễn Việt Sơn 13
  14. Chương 5: Vật Dẫn - Điện Môi - Điện Dung II. Vật dẫn kim loại 2. Tính chất vật dẫn - Điều kiện bờ Ví dụ: Cho trường thế V = 100(x2 – y2), điểm P(2, -1, 3) nằm trên mặt phân cách. Tính V, E, D, ρS tại P. Viết phương trình của mặt dẫn.  Điện thế tại P: VP  100  2  (1)   300V 2 2  Do mặt vật dẫn đẳng thế  mọi điểm trên mặt của vật có V=300V  quỹ tích các điểm có điện thế V = 300V = 100(x2 – y2)  x2 – y2 = 3  Tính E  V  100( x 2  y 2 )  200 xax  200 yay  E P  400a x  200a y V/m  DP   0EP  3,54ax  1,771ay nC/m2  DN , P  DP  3,96nC / m2  S , P  DN , P  3,96nC / m2 2015 - Lý thuyết trường điện từ - Nguyễn Việt Sơn 14
  15. Chương 5: Vật Dẫn - Điện Môi - Điện Dung III. Phương pháp soi ảnh  Một đặc điểm quan trọng của lưỡng cực điện là mặt phẳng nằm giữa lưỡng cực điện luôn có thế bằng không  có thể biểu diễn bằng một mặt phẳng dẫn có độ rộng vô hạn và độ dày tiến tới không.  Có thể thay một lưỡng cực điện bằng một điện tích và một mặt phẳng dẫn mà không làm thay đổi các cường độ trường trên mặt dẫn. +Q ρ L +Q ρL Mặt phẳng dẫn, V = 0 Mặt đẳng thế, V = 0 hoặc -ρL Mặt đẳng thế, V = 0 -Q 2015 - Lý thuyết trường điện từ - Nguyễn Việt Sơn -Q 15
  16. Chương 5: Vật Dẫn - Điện Môi - Điện Dung III. Phương pháp soi ảnh z 30nC/m Ví dụ: Tính mật độ điện tích mặt ρS tại P(2, 5, 0) Mặt phẳng dẫn trên mặt phẳng dẫn z = 0 nếu có một điện tích đường ρL = 30nC/m đặt tại x = 0 và z = 3 y  Áp dụng phương pháp soi ảnh. P(2, 5, 0) R +  2ax  3az R-  2ax  3az x z L 9 30.10 2a x  3a z 30nC/m E+  a R+  2 0 R 2 0 13 13 R+ L 30.109 2a x  3a z E  aR   P y 2 0 R 2 0 13 13 R- 180.109 a z -30nC/m E  E +  E-   249a z V/m x 2 0 (13)   S   0 EN  2, 20nC / m2 2015 - Lý thuyết trường điện từ - Nguyễn Việt Sơn 16
  17. Chương 5: Vật Dẫn - Điện Môi - Điện Dung IV. Bán dẫn  Trong các vật liệu bán dẫn, có 2 hạt mang điện: Electron, và lỗ trống  Các electron ở vùng hóa trị nhận năng J, E lượng kích thích  vượt qua vùng cấm để tới vùng dẫn.  Trong chất bán dẫn, các khoảng trống do electron để lại (lỗ trống) cũng di chuyển (ngược hướng với electron).  Độ dẫn điện của chất bán dẫn:    e e  h h  Độ dẫn điện chất bán dẫn tăng khi nhiệt độ tăng (ngược với kim loại)  Điện dẫn chất bán dẫn tăng lên khi có lẫn tạp chất (n-type, p-type) 2015 - Lý thuyết trường điện từ - Nguyễn Việt Sơn 17
  18. Chương 5: Vật Dẫn - Điện Môi - Điện Dung V. Chất điện môi 1. Khái niệm  Các chất điện môi được cấu tạo bởi nhiều các phân cực điện đặt trong chân không.  Phân cực điện không thể phân bố như quá trình dẫn đối với kim loại/bán dẫn do chúng chịu lực tương tác của nguyên tử & phân tử.  Ở trạng thái bình thường, các phân cực điện sẽ xoay theo các hướng khác nhau.  Khi có tác động của điện trường ngoài, các phân cực điện sẽ sắp xếp lại theo hướng của điện trường, tạo ra trường điện từ tĩnh.  Tính chất: Các chất điện môi đều có khả năng tích lũy năng lượng điện năng. 2015 - Lý thuyết trường điện từ - Nguyễn Việt Sơn 18
  19. Chương 5: Vật Dẫn - Điện Môi - Điện Dung V. Chất điện môi Q d 1. Khái niệm E  Gọi p là momen lưỡng cực điện: p = Qd [Cm]  Nếu vi phân thể tích Δv có n lưỡng cực điện p  momen lưỡng cực nv điện tổng: p tong   pi i 1  Ở trạng thái tự nhiên, pi sắp xếp ngẫu nhiên  ptổng xấp xỉ không.  Nếu pi cùng hướng (do điện từ trường ngoài)  ptổng khá lớn.  Vector phân cực P cho biết số lượng momen lưỡng cực trên một đơn vị 1 nv thể tích P  lim v 0 v  i 1 pi [ C/m2 ] 2015 - Lý thuyết trường điện từ - Nguyễn Việt Sơn 19
  20. Chương 5: Vật Dẫn - Điện Môi - Điện Dung V. Chất điện môi 1. Khái niệm  Xét vật liệu điện môi có P = 0  Xét vi phân diện tích ΔS chịu tác động của cường độ điện trường E  Dưới tác động của E, mỗi phân tử điện môi có: p = Qd  Mỗi điện tích sẽ dịch chuyển theo hướng ΔS một khoảng ½ dcosθ  Điện tích dương dịch cùng chiều với ΔS  Điện tích âm dịch ngược chiều với ΔS + ΔS + + Chất điện môi 1  d cos  + + θ ΔS E ΔS  2 - + - + - + 1 + +  d cos  - - 2 d - - - 2015 - Lý thuyết trường điện từ - Nguyễn Việt Sơn - 20 -
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí
65 tài liệu
2431 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2