Bài giảng Vật lý đại cương: Chương 2 và chương 3

Chia sẻ: Nguyen Thi Thanh | Ngày: | Loại File: PPTX | Số trang:35

Thêm vào BST

Báo xấu

221
lượt xem 15
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chương 2 vật dẫn, chương 3 điện môi là những nội dung chính trong bài giảng "Vật lý đại cương". Mời các bạn cùng tham khảo nội dung bài giảng để nắm bắt nội dung chi tiết, với các bạn đang học chuyên ngành Vật lý thì đây là tài liệu tham khảo hữu ích.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Vật lý đại cương: Chương 2 và chương 3

Chương 2: VẬT DẪN §1. Điều kiện cân bằng tĩnh điện. Tính chất của vật dẫn mang điện §2. Hiện tượng điện hưởng §3. Điện dung của vật dẫn cô lập §4. Hệ vật dẫn tích điện cân bằng – Tụ điện §5. Phương pháp ảnh điện §6. Năng lượng điện trường 10/14/15 1
§1. ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG TĨNH ĐIỆN. TÍNH CHẤT CỦA VẬT DẪN MANG ĐIỆN 1.1. Điều kiện cân bằng của vật dẫn kim loại Đối với vật dẫn mang điện, tại mọi điểm bên trong lòng vật dẫn, điện trường bằng 0, còn trên bề mặt vật dẫn, điện trường luôn vuông góc với bề mặt vật dẫn. ĐIỀU KIỆN GIẢI THÍCH uur Véctơ cường độ điện trường trong lòng Etr =0 vật dẫn tại mọi điểm phải bằng 0. Trên mặt vật dẫn, thành phần tiếp tuyến uur r uur của véctơ cường độ điện trường bằng 0 Et =0 và E = En và điện trường tổng hợp bằng thành phần pháp tuyến. 10/14/15 2
§1 1.2. Tính chất của vật dẫn mang điện Vật dẫn cân bằng điện tích là một khối đẳng thế. Bề mặt vật dẫn lúc đó là một mặt đẳng thế. Điện tích Q mà ta tích cho vật dẫn được phân bố hoàn toàn trên bề mặt vật dẫn, bên trong lòng vật dẫn điện tích bằng 0. Đối với vật dẫn rỗng, khi đã cân bằng tĩnh điện, điện trường trong phần rỗng và phía bên trong vỏ kim loại của nó đều bằng 0. Phân bố điện tích trên bề mặt vật dẫn phụ thuộc vào hình dạng bề mặt vật dẫn. Điện tích sẽ tập trung vào phần mũi nhọn và ít tập trung ở phần lõm của vật. H2.1. Điện tích tập trung ở phần mũi c nhiều hơn ở b và ở a điện tích tập trung ít nhất. 10/14/15 3
§2. HIỆN TƯỢNG ĐIỆN HƯỞNG 2.1. Hiện tượng điện hưởng. Định lý các phần tử tương ứng Hiện tượng các điện tích cảm ứng xuất hiện trên vật dẫn (lúc đầu không mang điện) khi đặt nó trong điện trường ngoài gọi là hiện tượng điện hưởng. ++ Định lý các phần tử tương ứng: “Điện tích cảm ứng trên các phần tử tương ứng có độ lớn bằng nhau và trái dấu”. Δq= Δq’ H2.2.Hiện tượng điện hưởng xảy ra trên vật dẫn BC khi đặt nó vào trong điện trường của quả cầu tích điện dương A. 10/14/15 4
§2 2.2. Điện hưởng một phần và điện hưởng toàn phần a. Hiện tượng điện hưởng một phần Trong H2.2 chỉ có một số đường cảm ứng điện từ A qua được BC, còn số lớn đi ra xa vô cực. Nếu gọi q’ là điện tích cảm ứng xuất hiện trên vật BC và q là điện tích trên quả cầu A, ta có: q’
§2 2.2. Điện hưởng một phần và điện hưởng toàn phần b. Hiện tượng điện hưởng toàn phần Hiện tượng điện hưởng mà điện tích cảm ứng bằng độ lớn điện tích trên vật mang điện gọi là hiện tượng điện hưởng toàn phần (H2.3) q’=q H2.3.Hiện tượng điện hưởng toàn phần 10/14/15 6
§3. ĐIỆN DUNG CỦA VẬT DẪN CÔ LẬP Khi truyền điện tích Q cho vật dẫn cô lập A, Q sẽ phân bố trên bề mặt A, sao cho điện trường bên trong A bằng 0. Thực nghiệm cho thấy: Q = CV Trong đó, hệ số tỉ lệ C được gọi là điện dung của vật dẫn, phụ thuộc vào hình dạng, kích thước và tính chất cách điện của môi trường bao quanh A. 1Culong Trong hệ SI, đơn vị của điện dung là Fara (F): 1Fara = 1Von 1F là một đơn vị rất lớn (Quả cầu kim loại có bán kính bằng 1500 lần bán kinh Trái Đất mới có điện dung 1F), nên trong thực tế người ta sử dụng các ước của F như μF, nF, pF. 10/14/15 7
§4. HỆ VẬT DẪN TÍCH ĐIỆN CÂN BẰNG – TỤ ĐIỆN 4.1. Điện dung và hệ số điện hưởng Khi có 3 vật dẫn tích điện ở trạng thái cân bằng, giá trị điện tích và hiệu điện thế của chúng liên hệ với nhau theo công thức: q1 = C11V1 + C12V2 + C13V3 q2 = C21V1 + C22V2 + C23V3 q3 = C31V1 + C32V2 + C33V3 Các hệ số C11, C22, C33 gọi là điện dung, còn C12, C13,…,C32 gọi là các hệ số điện hưởng với tính chất: Cii > 0 và Cik = Cki (i, k = 1, 2, 3). 10/14/15 8
§4 4.2. Tụ điện Tụ điện là hệ hai vật dẫn A, B sao cho vật dẫn B bao bọc hoàn toàn vật dẫn A (A, B gọi là 2 cốt hay 2 bản mặt của tụ điện). Gọi q1 là điện tích trên cốt A của tụ và q2 là điện tích trên cốt B của tụ, ta có các tính chất sau: Tính chất 1: q1 + q2 = 0 2 cốt của tụ điện ở trạng thái điện hưởng toàn phần, điện tích xuất hiện trên 2 mặt có giá trị bằng nhau và trái dấu. Tính chất 2: q1 = C(V1 – V2) và q2 = –C(V1 – V2) Trong đó, C là điện dung của tụ điện; V1, V2 là điện thế trên 2 cốt của tụ. 10/14/15 9
§4 4.2. Tụ điện Tính chất 3: Nếu q1 > 0, giá trị q = q1 = –q2 gọi là điện tích của tụ điện, như vậy, q = CU (với U = V1 – V2 là hiệu điện thế giữa 2 bản tụ). §4 4.3. Điện dung của một số loại tụ điện a. Tụ điện phẳng Q ε 0ε S C= = V1 V2 d b. Tụ điện cầu ε 0ε S C= ( Q 4πε 0ε R1 R2 d khi d=R1 – R2 rất C= = S = 4 π R 2 nhỏ so với R1, và 1 V1 V2 R1 R2 là diện tích của các mặt cầu). 10/14/15 10
§4 4.3. Điện dung của một số loại tụ điện c. Tụ điện trụ Q 2πε 0ε l R1 ε 0ε S C= = = V1 V2 d d Trong đó, l là chiều cao của trụ và khoảng cách d giữa 2 mặt trụ rất nhỏ so với bán kính của trụ. Như vậy, điện dung của tụ điện bất kỳ nói chung là tỷ lệ thuận với diện tích S của 2 bản tụ và hằng số điện môi ε của chất lấp đầy không gian giữa chúng và tỷ lệ nghịch với khoảng cách d giữa hai bản mặt. 10/14/15 11
§4 4.4. Một số loại tụ điện dùng trong kĩ thuật + Tụ điện giấy (hoặc tụ điện mica): Gồm 2 hệ thống lá kim loại được nệm tấm parafin (hoặc mica) đặt xen kẽ nhau liên tiếp. Khoảng cách giữa các bản tụ d của tụ giấy nhỏ, nên tụ có thể đạt điện dung tới 102μF với điện thế đánh thủng cỡ vài trăm Vôn. + Tụ điện không khí có điện dung thay đổi được: Gồm 2 hệ thống lá kim loại đặt xen kẽ nhau, một hệ thống được cố định, hệ thống còn lại có thể quay quanh một trục cố định nhằm thay đổi diện tích S giữa 2 bản tụ điện. Tụ điện loại này đặt trong không khí và dùng nhiều trong thu thanh. (tụ xoaynúm bắt sóng radio) + Tụ điện điện phân (còn gọi là tụ hóa): Gồm một bản bằng nhôm có phủ lớp nhôm ôxít rất mỏng được tạo thành nhờ điện phân, bản còn lại của tụ là dung dịch chất điện phân và lớp vỏ đựng dung dịch. Nhờ lớp nhôm ôxít rất mỏng nên tụ hóa có thể đạt điện dung rất lớn cỡ 102F. 10/14/15 12
§5. PHƯƠNG PHÁP ẢNH ĐIỆN Cơ sở lý thuyết: “Nếu ta thay một mặt đẳng thế nào đó trong điện trường bằng một vật dẫn có cùng hình dạng và cùng điện thế với mặt đẳng thế đang xét, thì điện trường ở ngoài vật dẫn ấy không thay đổi”. Lực tương tác giữa điện tích điểm và mặt phẳng kim loại rộng vô hạn (H2.4): Ta thấy mặt phẳng được đặt trùng với mặt đẳng thế nằm chính giữa 2 điện tích điểm q và q’ = –q, nên lực tương tác giữa điện tích điểm q và mặt phẳng kim loại đúng bằng lực tương tác giữa 2 điện tích điểm q và q’: 2 1 q F= . 4πε 0 ε (2 d) 2 H2.4.Phương pháp ảnh điện 10/14/15 13
§5.Phương pháp ảnh điện Điện dung của dây dẫn hình trụ bán kính R, mang điện dương, đặt song song và cách mặt đất đoạn là h (H2.5): Tương tự như trên, hệ dây dẫn mặt đất có tính chất tương tự như hệ 2 dây dẫn hình trụ song song tích điện trái dấu nhận mặt đất làm mặt đối xứng(H2.5). Cường độ điện trường tại một điểm cách dây dẫn mang điện dương một đoạn x được tính bởi: Q Q E= + 2 πε 0 ε lx 2 πε 0 ε(2 h x) 2 hR Q 2h V1 V2 = Edx = ln R πε 0 ε l R Q πε 0 ε H2.5.Điện dung theo C= = phương pháp ảnh điện V1 V2 ln(2 h/ R ) 10/14/15 14
§6. NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TRƯỜNG 6.1. Năng lượng tương tác của một hệ điện tích điểm Năng lượng tương tác của 2 điện tích q1 và q2: 1 q1 q 2 1 q 2q1 1 � q 2 � 1 � q1 � W12 = W21 = = = q1 � + q2 � � � 4 πε 0 ε r12 4 πε 0 ε r21 2 �4 πε 0ε r12 � 2 4 πε ε � 0 21 �r q2 q1 Thay và là đi V1 = V2 = ện thế, ta có: 4 πε 0 ε r12 4 πε 0 ε r21 1 W12 = W21 = ( q 1 V1 + q 2 V2 ) 2 Khi có hệ n điện tích q1, q2,… qn, ta có năng lượng tương tác tĩnh điện của hệ là: n 1 W= q i Vi 2 i =1 10/14/15 15
§6 6.2. Năng lượng điện của một vật dẫn tích điện cô lập Ta chia vật thành những phần tử nhỏ có điện tích dq, năng lượng điện tích của vật dẫn là: 1 1 1 W= �Vdq = V � dq = qV 2 2 2 (Do vật dẫn tích điện cân bằng nên V=const, và tích phân dq trên toàn vật chính là điện tích q của vật). Từ công thức q=CV, nên năng lượng điện của vật dẫn tích điện cô lập được tính theo công thức: 1 1 2 1 q2 W = qV= CV = 2 2 2 C 10/14/15 16
§6 6.3. Năng lượng tụ điện Tụ điện gồm 2 vật dẫn tích điện cân bằng với: + Điện tích q=q1= –q2; + Hiệu điện thế giữa 2 bản tụ U=V1 – V2 Áp dụng công thức năng lượng của hệ điện tích điểm cho tụ điện, năng lượng của tụ được tính theo công thức: 1 1 1 W = ( q 1 V1 + q 2 V2 ) = q(V1 V2 ) = qU 2 2 2 Vậy, năng lượng của tụ điện là: 2 1 1q 1 2 W = qU= = CU 2 2 C 2 10/14/15 17
§6 6.4. Năng lượng điện trường ε 0ε S C= Thay điện dung của tụ vào biểu thức năng lượng của tụ, ta được: d 1 ε 0ε S 2 � 1 � W= U = � ε 0ε E2 � ( Sd ) 2 d �2 � (với Sd=V là thể tích không gian giữa các bản mặt, tức là không gian tồn tại điện trường trong tụ). Năng lượng W của tụ là năng lượng điện trường chứa trong miền thể tích V của tụ. Như vậy, mật độ năng lượng điện trường của tụ điện là: W 1 We = = ε 0ε E2 V 2 Kết quả này cũng đúng cho điện trường bất kỳ. 10/14/15 18
Chương 3: ĐIỆN MÔI §1. Sự phân cực của chất điện môi §2. Véctơ phân cực điện môi §3. Điện trường tổng hợp trong điện môi §4. Đường sức điện trường và đường cảm ứng điện qua ranh giới phân cách 2 điện môi §5. Điện môi đặc biệt 10/14/15 19
§1. SỰ PHÂN CỰC CỦA CHẤT ĐIỆN MÔI 1.1. Hiện tượng phân cực điện môi a) Khái niệm chất điện môi Chất điện môi là những chất không có các hạt mang điện tự do. b) Sự phân cực trong chất điện môi H3.1.Hiện tượng phân cực điện môi Thanh điện môi khi đặt trong điện trường mạnh thì hai đầu thanh điện môi xuất hiện điện tích trái dấu nhau (H3.1). Điện tích xuất hiện ở đâu thì chỉ định xứ ở chỗ đó chứ không dịch chuyển tự do được, chúng được gọi là những điện tích liên kết.