Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 2: Vật dẫn - Đỗ Ngọc Uấn

Nội dung text: Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 2: Vật dẫn - Đỗ Ngọc Uấn

1. Bμi giảng Vật lý đại c−ơng Tác giả: PGS. TS Đỗ Ngọc Uấn Viện Vật lý kỹ thuật Tr−ờng ĐH Bách khoa Hμ nội
2. Ch−ơng II Vật dẫn Kim loại: hạt dẫn lμ cácđiệntửtựdo
3. 1. Điều kiện cân bằng tĩnh điện, Tính chất của vật dẫn mang điện 1.1. Điều kiện cân bằng tĩnh điện: Véc tơ c−ờngđộđiệntr−ờng trong vật dẫn r bằng không: Etr = 0 Thμnh phần tiếp tuyến của véc tơ c−ờng độ điện tr−ờng trên bề mặt vật dẫn bằng không: r r r Et = 0 EE= n 1.2. Tính chất của vật dẫn mang điện .M r x Vật dẫn lμ vật đẳng thế Etr = 0 .N N N r r r r V V−MN = E∫ d s = ∫ t E d = s 0 M M
4. y Điện tích chỉ phân bố trên bề mặt của vật dẫnbêntrongvậtdẫnđiệntíchbằng0 r r r S q= D d S = vì 0r r E ∑ i ∫ D= ε0 ε E = 0 z S Véc tơ c−ờngđộđiệntr−ờng luôn ∑qi vuông góc với bề mặt vật dẫn. 1.3 ứng dụng r E= 0 Lồng Faraday Máy phát tĩnh điện WandeGraf Hiệu ứng mũi nhọn, gió điện: Giải phóng điện tích trên máy bay, phóng điện bảo vệ máy điện, cột thu lôi
5. Δq’ S 2. Hiện t−ợng điện h−ởng - A lúc đầu không tích điện - + - - B tích điện âm đ−ợc đ−a gần A - A + - B - - + - lμ hiện t−ợng các điện tích Δq - - cảm ứng xuất hiện trên vật dẫn (lúc đầu không tích điện) khi đặt trong điện tr−ờng ngoμi r r r r r E= E + E = 0 Φ =D d S = Δ q + q Δtr ' = 0 r ng 0 e ∫ E S ng qΔ '= −Δ q - + r + - E0 | qΔ |= |Δ q ' | - + ĐL về các phtử t−ơng ứng: điện tích cảm ứng trên các phtử t−ơng ứng có giá trị bằng nhau
6. Điện h−ởng một phần vμ điện h−ởng toμn phần A+ mang điện tích, B chịu điện h−ởng + q − − + Điện h−ởng toμn phần q’= q − + + − q’+B +A + − − + + − + Điện h−ởng một phần q’ Q=CV Q C -Hệsốtỷlệgọilμ điện dung C = V V=1 => C=Q có giá trị bằng điện tích cần truyền cho vật để điện thế của nó tăng thêm 1 đơn vị
7. 1 Culong 1 Fara= 1 Von Cầu KL bán kính R, Q=1, V=1, C=1F Q 1 1 9 V = ⇒R = = 9−12 .= 10 ( m4πε ) 0 R ε 4πε40 . ε 8π , 86 . 10 Gấp 1500 lần bán kính trái đất! 4. Hệ vật dẫn tích điện cân bằng, tụ điện 4.1. Điện dung vμ hệ số điện +-q1V1 h−ởng + 1- - - q2V2 Hệ ba vật dẫn 1, 2, 3: + + 2 - + - - Điện tích q1, q2, q3 q V 3 3+3- Điện thế t−ơng ứng: V1, V2, V3
8. Cik đối xứng q1=C11V1+C12V2+C13V3 C11 C12 C13 q2=C21V1+C22V2+C23V3 Cik = C21 C22 C23 C C C q3=C31V1+C32V2+C33V3 31 32 33 Ci=k Điện dung; Ci≠k hệ số điện h−ởng có tính t−ơng hỗ nên Cik = Cki. Nếu có n vật dẫn thì i,k=1, 2, ,n. 4.2. Tụ điện: Gồmhaivậtdẫncó S t−ơng tác điện h−ởng toμn phần + q + − − 1 −+ a. Tính chất I: q1+q2=0 + − + + q2 B +A + − r r − + + − + D∫ d= S1 q + 2 q = 0 + q ’ − − + 2 S + +
9. q1=C(V1-V2) b.Tính chất II: q2=-C(V1-V2) C lμ điện dung của tụ điện;q1>0 ,C>0=>V1>V2 Chứng minh: Nối vỏ ngoμiB vớiđấtq2’=0 : q1=C11V1+C12V2 q1=C11V1+C12V2 q2=C21V1+C22V2 -q1=C21V1+C22V2 (C11+C21)V1+(C12+C22)V2=0 C11=-C21 vμ C22=-C12 C11 =C22 = C vμ C21 = C12=-C U hiệu điện c.Tính chất III: q = q1=- q2 thế giữa 2 q = C(V1-V2)=CU bản cực tụ
10. +Q -Q a.Tụ điện phẳng σ. d + - U= V − V = E . = d 1 2 + d - S .σ d SQ . d ε εS ε0 ε U = = ⇒C =0 + - ε0 εS ε0 εS d + - b. Tụ điện cầu Q 1 1 R UVV=1 − 2 = ( − ) 2 4πε0 εR 1R 2 R1 Q 4ε ε π R R ⇒C =0 = 1 2 V V c. Tụ điện trụ U RR2− 1 1 2 Q R 2 R UVV=1 − 2 = ln 1 l R2 2πε0 l ε R1 Q ε0ε2π l ⇒C = = R U ln 2 R1
11. R RR− RR− d ln 2=ln( 1 + 2 1) ≈ 2 1= R R R R 1 1 ε2ε π l . R1ε εS ⇒C =0 = 0 d d Điện dung C của tụ điện bất kỳ ~ thuận ε & S vμ ~ nghịch d. d. Một số loại tụ điện đang sử dụng •Tụ điện không khí thay đổi đ−ợc điện dung •Tụ điện giấy, Kimkim loạiloại Giấy cách điện tụ dầu Kim loại Giấy cách điện Giấy cách điện
12. •Tụ điện hoá (điện phân) -+Al C ~ 100μF, U ~ 40V, Phân cực Al2O3 Dung dịch loãng bicabônat phốt phat cỡ 2μm 5. Năng l−ợng điện tr−ờng 5.1. Năng l−ợng t−ơng tác của một hệ điện tích điểm 1 q q W = 1 2 Hệ 2 điện tích điểm q1 vμ q2 4πε0ε r 1 q 1 q r = r = r ⇒ W = q 2 + q 1 12 21 2 1 4πε εr 2 2 4πε εr 1 0 21 0 12 W = (q V + q V ) 2 1 1 2 2
13. Hệ n điện tích điểm q1, q2 ,qn 1 1 n (= qW V1 + 1 q V 2 + 2 n + n q∑ Vq = i V) i 2 2 i= 1 5. 2. Năng l−ợng điện của một vật dẫn cô lập tích điện 1 1 1 Chia vật dẫn W=∫dq V=V ∫ dq =qV thμnh các điểm 2 2 2 1 1 1 q2 điện tích dq W=qV =CV2 = 2 2 2 C 5. 3. Năng l−ợng của tụ điện n Hệ n vật dẫn có q1, q2 ,qn 1 W = q V vμ điện thế t−ơng ứng V , V ,V ∑ i i 1 2 n 2i= 1
14. Tụ điện - hệ 2 vật dẫn 1 W(= q V + q V ) 2 1 1 2 2 1 1 q =- q W=q ( V − V =qU ) 1 2 2 1 2 2 1 1 q2 1 W=qU = =CU2 2 2 C 2 5.4. Năng l−ợng điện tr−ờng Tụ điện có thể tích khoảng giữa 2bản ΔV=S.d 1ε εS d 1 ε εS W = 0 U2= εEV ε2 Δ C = 0 2 d d 2 0 d Mật độ năng l−ợng điện tr−ờng: W 1 ϖ = = εE ε2 e ΔV 2 0
15. Điện tr−ờng mang năng l−ợng: năng l−ợng nμy định xứ trong không gian điện tr−ờng. Mật độ năng l−ợng điện tr−ờng tại một điểm: 2 1 2 1D 1 ϖe = ε 0 E ε = = DE 2 2ε0 ε 2 Năng l−ợng điện tr−ờng trong không gian V 1 W=∫ ϖe dVD = ∫ EdV V 2 V