Bài giảng Vật lý đại cương 2: Chương 2 - PGS. TS Nguyễn Thành Vấn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:25

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Vật lý đại cương 2: Chương 2 Vật dẫn, được biên soạn với mục tiêu nhằm giúp sinh viên hiểu được các khái niệm cơ bản về vật dẫn, điện dung; Giải thích được hiện tượng liên quan đến vật dẫn điện; Vận dụng giải các bài toán cụ thể về điện thế, tụ điện và năng lượng điện trường.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Vật lý đại cương 2: Chương 2 - PGS. TS Nguyễn Thành Vấn

om CHƯƠNG 2 .c ng co VẬT DẪN an th o ng du u cu CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Chương 2: VẬT DẪN Nội dung • Vật dẫn om • Điện dung của vật dẫn • Tính chất vật dẫn điện ở trạng .c • Tụ điện ng thái cân bằng tĩnh điện co • Vật dẫn trong điện trường ngoài • Năng lượng điện trường an th Chuẩn đầu ra o ng du • Hiểu được các khái niệm cơ bản về vật dẫn, điện dung. u • Giải thích được hiện tượng liên quan đến vật dẫn điện. cu • Vận dụng giải các bài toán cụ thể về điện thế, tụ điện và năng lượng điện trường. 2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
VẬT DẪN Vật dẫn điện (VDĐ) là những vật có chứa những điện tích tự do (có thể là ion hoặc electron). Đó là những điện om tích chuyển động tự do bên trong VDĐ mà không thể .c thoát ra bề mặt VDĐ, ở đây ta chỉ xét xem VDĐ kim loại, ng co khi đó các điện tích tự do chính là các điện tử tự do. Khi an tác dụng bởi một điện trường các điện tử tự do di chuyển th theo chiều hướng nhất định tạo thành dòng điện. ng VDĐ ở trạng thái tự nhiên trung hòa về điện tích. Khi o du mất đi một số điện tử vật trở nên có điện tích dương u nhiều hơn điện tích âm và có thể xem vật thực sự mang cu điện tích dương và ngược lại. Điện tích khác với điện tích trung hòa của VDĐ được gọi là điện tích thừa hay điện tích tự do. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
om .c ng ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG TĨNH ĐIỆN VÀ co TÍNH CHẤT CỦA VDĐ Ở TRẠNG THÁI an CÂN BẰNG TĨNH ĐIỆN th o ng du u cu CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG TĨNH ĐIỆN Khi chưa có điện trường tác dụng vào VDĐ thì các e tự do luôn luôn chuyển động hỗn loạn. Khi tác dụng vào VDĐ một điện trường ngoài thì các e tự do chuyển động hỗn loạn trong VDĐ sẽ phân bố lại để tạo ra om một điện trường làm mất tác dụng của điện trường ngoài. Trạng thái mà .c điện trường trong VDĐ bằng không gọi là trạng thái cân bằng tĩnh điện. ng -   + B co A + - EB EA + an q - + th q’ ng q’ TÍNH CHẤT CỦA VDĐ Ở TRẠNG THÁI CÂN BẰNG TĨNH ĐIỆN o du 1. 1. Điện trường bằng không bên trong vật dẫn u cu 1. Vì điện trường trong lòng VDĐ bằng không nên một VDĐ nằm trong VDĐ rỗng sẽ không bị ảnh hưởng của điện trường bên ngoài. Đây là nguyên tắc hoạt động của màn chắn điện được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật và đời sống. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
2. Vật dẫn là vật đẳng thế Xét hai điểm M và N bất kì trên vật dẫn N   om VM  VN  E .d    .N .c M E0  ng .M E  0  V  const co an th 3. Điện tích thừa chỉ phân bố trên bề mặt VDĐ ng Chọn mặt S nằm trong lòng VDĐ và sát mặt ngoài. Định lý Gauss: o du    qi 1   E.dS  S u cu 0 i q 0  S i E0  q i i 0 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Sự phân bố điện tích trên mặt VDĐ chỉ phụ thuộc hình dạng VDĐ. Đối với VDĐ đối xứng như hình cầu, phẳng, trụ, điện tích được phân bố đều trên toàn mặt om VDĐ, ngược lại đối với các VDĐ dạng bất kì, sự phân .c bố của điện tích là không đều, điện tích hầu như chỉ tập ng trung ở chỗ mũi nhọn. co an th + ++ + + a ng + + o ++ c ++ ++++ du + + + + + b u cu Phân bố điện tích trên mặt vật dẫn bất đối xứng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
4. Vectơ điện trường ở sát mặt ngoài VDĐ thì vuông góc với mặt VDĐ tại đó và có cường độ σ/ε0. - VDĐ là một mặt đẳng thế nên véctơ điện trường ở một điểm sát mặt ngoài VDĐ thì vuông góc với mặt VDĐ. om N     .c VM  VN   E.d   0  E  d  ng M co Điện trường ở sát mặt ngoài có giá trị σ/ε0. an Xét điện trường tại điểm M sát mặt ngoài VDĐ th ng S     M o 1   E.dS   E.dS  E  S   S du 0 u cu S S  E 0  E cận mặt ngoài VDĐ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
om .c ng co VDĐ TRONG ĐIỆN an TRƯỜNG NGOÀI th o ng du u cu CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Cho VDĐ (B) trung hòa về điện tích đặt trong một điện trường của VDĐ (A, có mang điện tích q) thì các điện tích có trong VDĐ (B) sẽ chuyển động. Các điện tích dương (q’) đi theo hướng của điện trường, còn các điện tích âm ( q’) thì om ngược lại, q’ và  q’ được gọi là các điện tích cảm ứng. .c Trong VDĐ (B) sẽ tạo ra một điện trường ngược với điện ng trường ngoài (do A gây ra) làm cho VDĐ (B) trở lại trạng thái co cân bằng tĩnh điện. an -   + B EA + th A + - EB q ng - + q’ q’ o du u Hiện tượng các điện tích cảm ứng xuất hiện trên VDĐ cu (B, lúc đầu không mang điện) khi đặt trong điện trường ngoài (do A) được gọi là hiện tượng điện hưởng (hưởng ứng tĩnh điện). CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Điện hưởng một phần (sự hưởng ứng tĩnh điện một phần) Độ lớn của điện tích -   + cảm ứng (trên B) nhỏ A + - EB EA + B q - + q’ om hơn độ lớn điện tích của q’ VDĐ mang điện (A) q'  q .c ng Điện hưởng toàn phần co VDĐ (A) có điện tích qA được bao quanh bởi VDĐ an (B) có điện tích qB ở trạng thái cân bằng tĩnh điện. S q B  q Btr  q Bng th (1 ) ng qA o du Áp dụng định lý Gauss cho mặt kín S A u  q A  q Btr  0  q Btr   q A ( 2 ) cu qBtr qBng Từ (1), (2): q Bng  q B  q A B Nếu qB = 0  q Bng  q A Điện hưởng toàn phần CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
 Nếu q là điện tích của A thì sẽ xuất hiện điện tích –q ở mặt trong và điện tích +q ở bên ngoài của B.  Nếu phân bố điện tích +q ở mặt ngoài của B om không phụ thuộc vào vị trí của A. Nếu ta nối đất thì .c điện tích +q sẽ biến mất, điện tích ở mặt trong của B ng và ở mặt ngoài của A vẫn không thay đổi. co an + ++ q th ng -q + - - - - B B o - ++ + q - ++ + du +A + +A + ++ - ++ - u - - cu - - + - - + + CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
om .c ĐIỆN DUNG ng co CỦA MỘT VDĐ CÔ LẬP an th o ng du u cu CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Một điện tích q được truyền cho một VDĐ cô lập về điện sẽ được phân bố trên mặt VDĐ sao cho điện trường bên trong VDĐ bằng không. Điện tích tăng bao nhiêu lần trên VDĐ thì điện trường tại các om điểm trong không gian do VDĐ gây ra cũng tăng bấy nhiêu lần. .c Qua mối liên hệ giữa điện trường và điện thế ta kết luận rằng ng điện thế của vật dẫn tỷ lệ với điện tích mà vật dẫn có. Vậy đối với co VDĐ cô lập, điện thế của VDĐ luôn tỉ lệ với điện tích của nó an q q  CV  C  (F) V th ng Vật dẫn cô lập hình cầu, điện thế quả cầu bằng điện thế tại tâm o du  dS q V   u cu S 4  o R 4  o R Suy ra điện dung C của quả cầu bán kính R: C  4  o R CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
om .c ng co TỤ ĐIỆN an th o ng du u cu CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Khái niệm về tụ điện  Tụ điện là một hệ gồm hai vật dẫn được đặt rất gần nhau ngăn cách bởi một chất cách điện. om  Các vật dẫn tạo nên tụ điện được gọi là các bản tụ. .c  Thông số cơ bản đặc trưng cho tụ điện là điện dung ng co Điện dung của tụ điện tỉ lệ với điện tích có trên một bản và an hiệu điện thế giữa hai bản đó: th q q ng C  V1  V2 U o du Điện dung của tụ điện là đại lượng đặc trưng cho khả u cu năng tích điện của tụ. Điện dung của tụ điện phụ thuộc vào cấu tạo, hình dạng, kích thước hai bản và môi tường cách điện giữa hai bản tụ mà không phụ thuộc vào các vật dẫn bên ngoài. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Tụ điện phẳng Cấu tạo: gồm hai bản phẳng bằng kim loại có cùng diện tích S đặt song song cách nhau một đoạn d rất nhỏ so với kích thước mỗi bản. om Điện trường giữa hai bản là điện trường đều và có giá trị: .c  q d E  ng o  o S co Hiệu điện thế giữa hai bản: an + - S   th 2 q - -  V1  V2  E.d   V1  V2  d + + ng 0 S + + - o - - 1 + + du + - Mà: q + + - - u U  V1  V2  cu C + + - -- + S - C  0 d CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Tụ điện cầu Cấu tạo: gồm hai quả cầu kim loại đồng tâm, quả cầu trong có bán kính R1, quả cầu ngoài rỗng có bán kính R2. q om Điện trường giữa hai bản: E  ;(R 1  r  R 2 ) 4  o  r 2 .c ng Hiệu điện thế giữa hai bản:  co 2   2 q  +  V1  V2   E.d r   + + an 2 dr R 4  o  r + 2 th 1 1  + R1 + 1  q R 2  R1  ng q  1 + + V1  V2      o  4  o   R 1 R 2  4  o  R 1 R 2 du  u cu 4  o  R 1 R 2 Vậy điện dung của tụ điện cầu: C R2  R1 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Tụ điện trụ Cấu tạo: gồm hai mặt kim loại đồng trục, mặt trụ trong có bán kính R1, mặt trụ ngoài có bán kính R2. q om Điện trường giữa hai mặt trụ: E  ;(R 1  r  R 2 ) 2  o  Hr .c Hiệu điện thế giữa hai mặt trụ: H ng 2   2     co q  V1  V2  E.d r   dr an 1 1 2  o  Hr R2 th q R2 + + + + ng V1  V2  ln 2  o  H R1 R1 + o + + + du Vậy điện dung của tụ điện trụ: u cu 2  o  H     C R2 ln R1 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
NĂNG LƯỢNG om TRƯỜNG TĨNH ĐIỆN .c ng co an Để thiết lập một hệ điện tích cần phải th ng cung cấp một công để thắng lực tương tác o du giữa các điện tích. Do đó một hệ điện tích u cu phải mang năng lượng. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt