II vat dan va dien moi (1)

1
II. Vật dẫn và ñiện môi

2
Nội dung

Vật dẫn trong ñiện trường ngoài.
ðiện dung của vật dẫn


Năng lượng ñiện trường

Sự phân cực của chất ñiện môi

ðiện trường trong chất ñiện môi.
3
Mục tiêu

Nắm ñược khái niệm về vật dẫn, ñiện môi và phân
loại vật liệu theo tính dẫn ñiện.

Các tính chất của vật dẫn, ñiện môi trong ñiện
trường ngoài.

Khái niệm về ñiện dung, tụ ñiện. Vận dụng tính ñiện
dung trong một số trường hợp cụ thể.
4
II.1
Khái niệm chung về vật dẫn
5
1. Phân biệt vật chất theo tính dẫn ñiện


Vật dẫn ñiện: ñiện tích có thể chuyển ñộng tự do trong
toàn bộ thể tích.
VD: kim loại.

Chất cách ñiện (ñiện môi): ñiện tích ñịnh xứ/kém tự
do.
VD: gỗ, giấy, nhựa.

Bán dẫn.
VD: Si, Ge, …

Siêu dẫn: tại nhiệt ñộ nhất ñịnh có R = 0.
Hg, Y-Ba-Ca-O, …
ðiện trở suất
Vật liệu ðiện trở suất, ρ (Ωm)
Kim loại 10
-8
Bán dẫn thay ñổi mạnh
Cách ñiện 10
16
6
7
Conductor
Insulator
8
2. Yếu tố quyết ñịnh tính dẫn ñiện ?
Cấu tạo và bản chất ñiện của các nguyên tử.

Kim loại:

- ion dương sắp xếp trật tự tạo thành mạng tinh thể, dao
ñộng nhiệt nhỏ quanh nút mạng.
- ñiện tử hóa trị liên kết yếu với hạt nhân nguyên tử, tách
khỏi nguyên tử thành ñiện tử dẫn.

ðiện môi:
- ñiện tích không chuyển ñộng tự do, ví dụ ñiện tử liên kết
mạnh với nguyên tử.
9
II.2
Sự cân bằng ñiện tích trên vật dẫn.
Vật dẫn trong ñiện trường ngoài
10
1. Sự cân bằng ñiện tích trên vật dẫn.

Vật dẫn cân bằng ñiện tích: trạng thái ñiện tích tự do
nằm cân bằng (không chuyển ñộng tạo thành dòng ñiện).

ðiều kiện cân bằng tĩnh ñiện:
- Trong vật dẫn: Vector cường ñộ ñiện trường E tại mọi
ñiểm phải bằng 0.
- Trên bề mặt vật dẫn: Tại mọi ñiểm, thành phần tiếp tuyến
của vector cường ñộ ñiện trường bằng 0, vector cường ñộ
ñiện trường vuông góc với bề mặt vật dẫn.
11
2. Tính chất của vật dẫn mang ñiện

Nếu một vật dẫn có một ñiện tích q và ở
trạng thái cân bằng tĩnh ñiện thì ñiện tích
q chỉ ñược phân bố trên bề mặt của

vật dẫn, bên trong vật dẫn tổng ñại số
ñiện tích bằng 0.
Ứng dụng: máy phát tĩnh ñiện, màn ñiện.

Vật dẫn cân bằng tĩnh ñiện là một vật
ñẳng thế (equipotential object). Sự phân
bố ñiện tích trên mặt vật dẫn chỉ phụ thuộc
vào hình dạng của mặt.
Thử CM một số tính chất của vật dẫn cân bằng tĩnh ñiện

ðiện tích q chỉ ñược phân bố trên bề mặt của vật dẫn ?
12

Vector cường ñộ ñiện trường vuông góc với mặt vật dẫn ?
13

Vật dẫn cân bằng tĩnh ñiện là một vật ñẳng thế ?
14
Ðiểm 2 lấy bất kỳ trong vật dẫn → mọi ñiểm của vật dẫn cân bằng tĩnh
ñiện ñều có cùng một ñiện thế (vật ñẳng thế).
15
3. Vật dẫn trong ñiện trường ngoài

Hiện tượng ñiện hưởng:
Hiện tượng các ñiện tích cảm ứng xuất hiện trên bề mặt vật dẫn khi
ñặt trong ñiện trường ngoài ñược gọi là hiện tượng ñiện hưởng (hiện
tượng cảm ứng tĩnh ñiện).
16
Vật dẫn trong ñiện trường ngoài
(cont.1)


ðịnh lý các phần tử tương ứng:
ðiện tích cảm ứng trên các phần tử tương ứng có ñộ lớn
bằng nhau và trái dấu: ∆q’ = ∆q
Ý nghĩa: cho thấy mối quan hệ giữa ñiện tích của vật mang
ñiện và ñiện tích cảm ứng xuất hiện trên vật dẫn.
17
ðiện hưởng một phần và toàn phần

ðiện hưởng một phần:
ðộ lớn của ñiện tích cảm ứng
trên vật dẫn nhỏ hơn ñộ lớn
ñiện tích trên vật mang ñiện.

ðiện hưởng toàn phần:
ðộ lớn của ñiện tích cảm ứng
trên vật dẫn bằng ñộ lớn ñiện
tích trên vật mang ñiện.
18
Ứng dụng: màn ñiện

Xét một vật dẫn rỗng B ñặt gần một vật mang ñiện C. Như trên, người ta có
thể chứng minh ñược ñiện trường ở trong phần rỗng bằng không. Nếu trong
phần rỗng của vật B có ñặt một vật A thì vật A sẽ không chịu ảnh hưởng ñiện
của vật C. Vật dẫn rỗng B, có tác dụng như một màn chắn cho vật A khỏi bị
ảnh hưởng ñiện trường của các vật mang ñiện bên ngoài, gọi là màn ñiện.

Ứng dụng: Các máy tĩnh ñiện thường ñược ñặt trong một vỏ bằng kim loại
ñể tránh ảnh hưởng ñiện bên ngoài. Vỏ kim loại ñó giữ vai trò của màn ñiện.
Các ñèn ñiện tử, các dây ñiện thoại, dây micrô ñều ñược bọc ở ngoài bằng

những lưới thép. Lưới thép có tác dụng như một màn ñiện giữ cho chế ñộ
làm việc của ñèn và dòng ñiện chạy trong dây ñược ổn ñịnh, không bị nhiễu
bởi ảnh hưởng ñiện bên ngoài.

Ðể giữ cho ñiện thế của màn không ñổi, người ta nối màn ñiện với ñất. Nếu
trên màn ñiện có các ñiện tích thì các ñiện tích này sẽ theo dây dẫn truyền
xuống ñất. Dây nối với ñất ñược gọi là dây "mass".
19
II.3
ðiện dung của các vật dẫn. Tụ ñiện.
20
1. ðiện dung của vật dẫn cô lập.

ðiện thế của vật dẫn cô lập tỉ lệ với ñiện tích của vật dẫn ñó:
q = C.V
hệ số tỉ lệ C: ñiện dung của vật dẫn, phụ thuộc hình dạng, kích
thước, tính chất của môi trường cách ñiện bao quanh vật dẫn.

ðịnh nghĩa: V = 1 → C = V:
ðiện dung của vật dẫn cô lập là một ñại lượng về giá trị bằng
ñiện tích cần truyền cho vật dẫn ñể ñiện thế của vật dẫn tăng
thêm một ñơn vị ñiện thế.
ðơn vị: F (Faraday) = C/V.
21
2. ðiện dung của hai vật dẫn.

ðiện dung của hai vật dẫn:
Xét 2 vật dẫn 1 và 2 ở trạng thái cân bằng ñiện với ñiện tích và
ñiện thế là q
1

, V
1
và q
2
, V
2
.
+ q
1
= C
11
.V
1
+ α
12
.V
2
+ q
2
= α
21
.V
1
+ C
22
.V
2
với C
ii
: ñiện dung của vật dẫn i, α

ij
: hệ số tích ñiện (ñộ ñiện
hưởng) của vật dẫn i gây ra bởi vật dẫn j.

Một số tính chất: C
ii
≥ 0, C
ij
= C
ji
.

Hệ n vật dẫn:
∑
≠
α+=
n
ij
jijiiii
VVCq
22
3. Tụ ñiện.

ðịnh nghĩa: tụ ñiện là 1 hệ gồm hai vật
dẫn cô lập, ñược gọi là hai bản tụ, ở
trạng thái ñiện hưởng toàn phần.

Tính chất:
- ðiện tích xuất hiện trên hai mặt ñối
diện của các bản tụ có giá trị bằng nhau

và trái dấu.
- ðiện dung C của tụ ñiện:
Q = C.(V
1
- V
2
) hay - Q = - C.(V
1
- V
2
)
- ðiện thế của bản tích ñiện dương cao
hơn của bản tích ñiện âm: (V
1
> V
2
).
23
4. ðiện dung của một số tụ ñiện

Tụ ñiện phẳng:
C chỉ phụ thuộc vào A, d (các yếu tố ñối xứng)
24
ðiện dung của một số tụ ñiện
(cont. 1)

Tụ ñiện cầu:
25
ðiện dung của một số tụ ñiện
(cont. 2)


Tụ ñiện trụ:
1
2
0
ln
.2
R
R
l
C
ε
πε
=
26
5. Ghép tụ ñiện

Tụ ñiện mắc song song
27
Ghép tụ ñiện
(cont. 1)

Tụ ñiện mắc nối tiếp
28
29
6. Ứng dụng của tụ ñiện

Tụ ñiện ñược sử dụng phổ biến trong các thiết bị ñiện tử với các công
dụng nhất ñịnh như truyền dẫn tín hiệu, lọc nhiễu, lọc ñiện nguồn, tạo
dao ñộng, …:

- Cho ñiện áp xoay chiều ñi qua và ngăn ñiện áp một chiều lại, do ñó
tụ ñược sử dụng ñể truyền tín hiệu giữa các tầng khuyếch ñại có chênh
lệch về ñiện áp một chiều.
- Với ñiện xoay chiều thì tụ dẫn ñiện còn với ñiện một chiều thì tụ lại
trở thành tụ lọc.
- Lọc ñiện áp xoay chiều sau khi ñã ñược chỉnh lưu (loại bỏ pha âm)
thành ñiện áp một chiều bằng phẳng (nguyên lý của các tụ lọc nguồn).

Tụ giấy và tụ gốm (trị số nhỏ) thường lắp trong các mạch cao tần còn
tụ hóa (trị số lớn) thường lắp trong các mạch âm tần hoăc lọc nguồn
ñiện có tần số thấp.
30
Bài tập
31
II.4
Năng lượng ñiện trường
32
1. Năng lượng tương tác của một hệ ñiện tích ñiểm

Thế năng tương tác giữa q
1
và q
2
:
hay có thể viết lại thành
33
2. Năng lượng của một vật dẫn cô lập tích ñiện

Ta có thể xem vật dẫn như một hệ ñiện tích ñiểm, khi ñó năng
lượng của hệ này là:

34
3. Năng lượng của tụ ñiện
35
4. Năng lượng ñiện trường
36
Nhận xét
1. ðiện trường mang năng lượng: năng lượng này ñịnh xứ trong
không gian chứa ñiện trường.
2. Mật ñộ năng lượng ñiện trường tại một ñiểm là:
→ năng lượng ñiện trường trong thể tích hữu hạn là:
Bài tập
37 38
II.5
Sự phân cực của chất ñiện môi
39
1. Khái niệm

Khác với các chất dẫn ñiện, trong các chất ñiện môi không có
các ñiện tích tự do và không thể dẫn ñiện ñược. VD: gỗ, giấy,
nhựa, …

Khi ta ñặt một thanh ñiện môi vào trong một ñiện trường ñủ lớn
thì ở hai ñầu thanh cũng xuất hiện các ñiện tích. Hiện tượng ñó
ñược gọi là hiện tượng phân cực ñiện môi. Hiện tượng này bề
ngoài có vẻ giống như trường hợp ta ñặt một vật dẫn vào trong
một ñiện trường.
Q: Quá trình xuất hiện các ñiện tích ở trên hai ñầu thanh như thế nào
và ñiện trường ở bên trong chất ñiện môi có bị triệt tiêu như trong
trường hợp vật dẫn không ?
40

2. Hiện tượng phân cực
a. Lưỡng cực phân tử, phân loại

Mỗi phân tử của chất ñiện môi gồm hai phần: một phần gồm
các hạt nhân nguyên tử mang ñiện tích dương và phần còn lại
là các e- mang ñiện tích âm quay quanh các hạt nhân. Bình
thường, các phân tử của chất ñiện môi trung hoà ñiện.
Về phương diện ñiện, ta có thể thay phần ñiện tích âm của các
êlectrôn bằng ñiện tích q ñặt tại trọng tâm ñiện tích âm O_ và
thay phần ñiện tích dương của các hạt nhân bằng ñiện tích +q
ñặt tại tâm ñiện tích dương O+ .
41

Do sự phân bố của các e- quanh các hạt nhân, chất ñiện môi có hai loại là:
- Phân tử tự phân cực: có các e- phân bố không ñối xứng quanh các hạt
nhân. Ðối với loại này, trọng tâm ñiện tích âm O_ và trọng tâm ñiện tích
dương O+ cách nhau một ñoạn (hình a). Mỗi phân tử ddueoecj coi như một
lưỡng cực ñiện, gọi là lưỡng cực phân tử, có moment lưỡng cực Ā hướng từ
O_ ñến O+. Phân tử loại trên gọi là phân tử tự phân cực. VD: H
2
O (nguyên
chất), NH
3
, HCl, CH
3
Cl, …
- Phân tử không tự phân cực: có các e- phân bố ñối xứng quanh các hạt
nhân. Khi ñó trọng tâm các ñiện tích âm O_ và trọng tâm ñiện tích dương O+
trùng nhau. Phân tử không trở thành lưỡng cực ñiện. VD: H
2

, N
2
, CCl
4
, các khí
hiếm.
42
b. Giải thích hiện tượng phân cực

Xét một khối ñiện môi ñặt trong một ñiện trường và lần lượt
nghiên cứu quá trình phân cực của hai loại chất ñiện môi trên
43
ðiện môi tự phân cực
44

Như vậy có các ñiện tích trái dấu xuất hiện ở hai mặt giới hạn
trước và sau của khối ñiện môi. Mặt ñiện trường ngoài ñi vào sẽ
tích ñiện âm, mặt ñiện trường ngoài ñi ra sẽ tích ñiện dương.
Chất ñiện môi ñã bị phân cực.
45
ðiện môi không tự phân cực

Khi chưa ñặt khối ñiện môi vào trong ñiện trường ngoài, các trọng
tâm ñiện tích dương và âm của các phân tử trùng nhau. Trong khối
ñiện môi không có các lưỡng cực phân tử xuất hiện và trên mặt
khối ñiện môi cũng không có các ñiện tích xuất hiện.
46
Kết luận

Dù chất ñiện môi thuộc loại nào, khi ñặt vào trong một ñiện

trường ngoài thì ở trên hai mặt giới hạn của khối ñiện môi cũng
xuất hiện các ñiện tích trái dấu. Các ñiện tích này ñều là các
ñiện tích liên kết, ñịnh xứ ở trên mặt giới hạn của khối ñiện môi.

Tuỳ theo chất ñiện môi, ñiện tích của các lưỡng cực phân tử sẽ
lớn hay nhỏ, và tuỳ thuộc theo cường ñộ ñiện trường bên ngoài
và các lưỡng cực phân tử sẽ quay hướng nhiều hay ít. Vậy mức
ñộ phân cực của một chất ñiện môi phụ thuộc vào bản chất của
chất ñiện môi và cường ñộ ñiện trường bên ngoài.
47
c. Vector phân cực ñiện môi

Ðặc trưng cho mức ñộ phân cực của chất ñiện môi.

Bằng tổng các vectơ moment lưỡng cực ñiện của các phân tử có
trong một ñơn vị thể tích của chất ñiện môi:
48
49
II.6
ðiện trường trong chất ñiện môi
50
51 52
53
Bài tập
54