Chương 12: Vật dẫn điện và chất điện môi

CHƯƠNG 12 VẬT DẪN ÐIỆN VÀ CHẤT ÐIỆN MÔI

I. VẬT DẪN TRONG ÐIỀU KIỆN CÂN BẰNG TĨNH ÐIỆN
1. Ðiều kiện cân bằng tĩnh điện của một vật dẫn mang điện .
2. Các tính chất của vật dẫn cân bằng tĩnh điện .
II. VẬT DẪN ÐẶT TRONG ÐIỆN TRƯỜNG
1. Hiện tượng điện hưởng .
2. Màn điện .
III. SỰ PHÂN CỰC CỦA CHẤT ÐIỆN MÔI
1. Khái niệm .
2. Giải thích hiện tượng phân cực .
IV. ÐIỆN TRƯỜNG TRONG CHẤT ÐIỆN MÔI
V. ÐIỆN MÔI SÉCNHÉT- HIỆU ỨNG ÁP ÐIỆN
1. Ðiện môi Sécnhét .
2. Hiệu ứng áp điện .
VI. ÐIỆN DUNG CỦA CÁC VẬT DẪN .
1. Ðịnh nghĩa.
2. Ðiện dung của tụ điện .
3. Các loại tụ điện thường dùng.
VII. NĂNG LƯỢNG ÐIỆN TRƯỜNG
1. Năng lượng của tụ điện.
2. Năng lượng của trường tĩnh điện .
I. VẬT DẪN TRONG ÐIỀU KIỆN CÂN BẰNG TĨNH ÐIỆN
1 Ðiều kiện cân bằng tĩnh điện của một vật dẫn mang điện.
TOP
Trong vật dẫn các điện tích có thể dịch chuyển dưới tác dụng của điện trường. Nhưng về phương
diện tĩnh điện, ta chỉ xét những điện tích nằm ở trạng thái cân bằng điện, tức là trạng thái trong đó các điện
tích đứng yên. Ðiều kiện cân bằng tĩnh điện của một vật dẫn mang điện tích là điện trường bên trong vật dẫn
phải bằng không. Thực vậy, nếu điện trường đó khác không thì dưới tác dụng của điện trường này, các điện
tích sẽ dịch chuyển, cân bằng tĩnh điện sẽ bị phá huỷ.
2 Các tính chất của vật dẫn cân bằng tĩnh điện

TOP
a Ðối với một vật dẫn cân bằng tĩnh diện, điện tích chỉ tập trung ở mặt ngoài vật dẫn.
b Ðiện trường tại mặt vật dẫn phải có phương vuông góc với mặt vật dẫn tại mọi điểm của nó.
c. Vật dẫn cân bằng tĩnh điện là một vật đẳng thế.
Ðiểm 2 lấy bất kỳ trong vật dẫn. Do đó ta có thể kết luận mọi điểm của vật dẫn cân bằng tĩnh điện
đều có cùng một điện thế. Nói cách khác: Vật dẫn cân bằng tĩnh điện là một vật đẳng thế.
Trong phần trên ta đã biết điện thế chỉ phân bố ở trên mặt ngoài của vật dẫn. Nhưng thực nghiệm và
lý thuyết đã chứng tỏ sự phân bố điện tích ở trên mặt phụ thuộc vào hình dạng của vật dẫn. Chỉ có những
vật dẫn có dạng hình cầu hay mặt phẳng, điện tích mới phân bố đều trên mặt. Còn đối với những vật dẫn có
hình dạng khác thì điện tích phân bố không đều trên mặt. Nơi nào lồi nhiều, mật độ điện tích sẽ lớn, đặc biệt
là ở những mũi nhọn của vật dẫn, điện tích tập trung rất nhiều. Ðiện trường do các điện tích này gây ra tại
vùng xung quanh sát với mũi nhọn sẽ rất lớn. Dưới tác dụng của điện trường này, lớp không khí gần sát mũi
nhọn sẽ bị iôn hóa. Các phần tử mang điện tích khác dấu với điện tích của mũi nhọn mất dần vì bị trung
hòa. Còn các phần tử mang điện cùng dấu với điện tích của mũi nhọn sẽ bị mũi nhọn đẩy bật ra xa, lôi kéo
theo không khí và tạo thành một luồng gió gọi là gió điện (Hình 12.4).

Do hiệu ứng mũi nhọn, vật dẫn mất điện tích. Vì vậy để tránh hao hụt điện trong các máy móc, đầu
vật dẫn thường được làm tròn. Ngược lại nhiều khi người ta lợi dụng hiệu ứng này. Ví dụ: máy bay khi bay
vào trong những đám mây thường bị tích điện. Do đó điện thế của máy bay thay đổi, ảnh hương xấu đến
việc sử dụng thiết bị vô tuyến điện trong máy bay.
II. VẬT DẪN ÐẶT TRONG ÐIỆN TRƯỜNG
1 Hiện tượng điện hưởng
TOP
Hiện tượng vật dẫn trung hoà điện trở thành tích điện do ảnh hưởng của một vật mang điện, gọi là
hiện tượng điện hưởng. Người ta phân biệt hai trường hợp điện hưởng:
a) Trường hợp điện hưởng một phần.
Ðó là trường hợp vật dẫn trung hoà điện không bao kín vật mang điện. Trong trường hợp này chỉ có
một phần các đường sức của vật mang điện gặp phần vật dẫn chịu ảnh hưởng. Nếu gọi điện tích của vật
mang điện C là +q thì điện tích xuất hiện ở đầu A của vật chịu ảnh hưởng điện sẽ là -q', còn ở đầu B sẽ là
+q'. Thực nghiệm và lý thuyết đã xác nhận

Khi đó sự dịch chuyển điện tích ở trong vật dẫn AB sẽ dừng lại, ở hai đầu A và B của vật dẫn sẽ xuất hiện
các điện tích q' và +q'. Nếu vật dẫn rổng người ta cũng chứng minh được điện trường ở trong lỗ của vật dẫn
bằng không dù vật dẫn được đặt ở trong điện trường ngoài (Hình 12.8).
b) Trường hợp điện hưởng toàn phần.
Ðó là trường hợp vật dẫn trung hoà điện A bao bọc hoàn toàn vật mang điện C (Hình 12.9). Khi đó
nếu vật mang điện có điện tích +q thì mặt trong A của vật dẫn bao bọc sẽ xuất hiện điện tích q. Mặt ngoài B
của vật dẫn sẽ xuất hiện điện tích +q'. Vì đây là trường hợp điện hưởng toàn phần nên:

Trong trường hợp này, tất cả các đường sức xuất phát từ vật mang điện đều đến gặp vật dẫn bao bọc
nó.
2. Màn điện.
TOP
Giả sử có một vật dẫn rỗng B đặt gần một vật mang điện C (Hình 12.10). Như trên, người ta có thể
chứng minh được điện trường ở trong phần rỗng bằng không. Nếu trong phần rỗng của vật B có đặt một vật
A thì vật A sẽ không chịu ảnh hưởng điện của vật C. Nói cách khác, vật dẫn rỗng B có tác dụng như một cái
màn che chở cho vật A khỏi bị ảnh hưởng điện trường của các vật mang điện bên ngoài. Vật dẫn rỗng B
được gọi là màn điện.
Màn điện có rất nhiều ứng dụng. Các máy tĩnh điện thường được đặt trong một vỏ bằng kim loại để
tránh ảnh hưởng điện bên ngoài. Vỏ kim loại đó giữ vai trò của màn điện. Các đèn điện tử, các dây điện
thoại, dây micrô đều được bọc ở ngoài bằng những lưới thép. Lưới thép có tác dụng như một màn điện giữ
cho chế độ làm việc của đèn và dòng điện chạy trong dây được ổn định, không bị nhiễu bởi ảnh hưởng điện
bên ngoài
é gi cho in th ca mn khụng i, ngi ta ni mn in vi t. Nu trờn mn in cú cỏc
in tớch thỡ cỏc in tớch ny s theo dõy dn truyn xung t. Dõy ni vi t c gi l dõy "mass".
III. S PHN CC CA CHT éIN MễI
1 Khỏi nim.
TOP
Khỏc vi cỏc cht dn in, trong cỏc cht in mụi khụng cú cỏc in tớch t do. Chỳng khụng th
dn in c. Tuy nhiờn khi ta t mt thanh in mụi, thanh ờbụnit chng hn, vo trong mt in trng
ln thỡ hai u thanh cng xut hin cỏc in tớch. Hin tng ú c gi l hin tng phõn cc in

mụi. Hin tng ny b ngoi cú v ging nh trng hp ta t mt vt dn vo trong mt in trng.
Nhng quỏ trỡnh xut hin cỏc in tớch trờn hai u thanh ờbụnit nh th no v in trng bờn trong
cht in mụi cú b trit tiờu nh trong trng hp vt dn khụng, ú l nhng vn chỳng ta s gii
quyt.
2 Gii thớch hin tng.
TOP
a) Lng cc phõn t.
Ta bit rng mi phõn t ca cht in mụi u gm hai phn: mt phn gm cỏc ht nhõn nguyờn
t mang in tớch dng v phn cũn li l cỏc ờlectrụn mang in tớch õm quay quanh cỏc ht nhõn. Bỡnh
thng, cỏc phõn t ca cht in mụi trung ho in. V phng din in, ta cú th thay phn in tớch
õm ca cỏc ờlectrụn bng in tớch q t ti trng tõm in tớch õm O_ v thay phn in tớch dng ca cỏc
ht nhõn bng in tớch +q t ti tõm in tớch dng O+ .
Do s phõn b ca cỏc ờlectrụn quanh cỏc ht nhõn ngi ta chia cht in mụi lm hai loi: mt
loi cú cỏc ờlectrụn phõn b khụng i xng quanh cỏc ht nhõn. éi vi loi ny, trng tõm in tớch õm
O_ v trng tõm in tớch dng O+ cỏch nhau mt on (Hỗnh 12.11a). Nhổ vỏỷy mọựi phỏn tổớ cuớa
chỏỳt õióỷn mọi coù thóứ coi nhổ mọỹt lổồợng cổỷc in gi l lng cc phõn t cú mụmen lng cc.
Vect hng t O_ n O+. Phõn t loi trờn gi l phõn t t phõn cc. éú l trng hp ca cỏc cht
in mụi nh H2O, (nguyờn cht). Loi phõn t th hai cú cỏc ờlectrụn phõn b i xng quanh cỏc ht
nhõn. Khi ú trng tõm cỏc in tớch õm O_ v trng tõm in tớch dng O+ trựng nhau. Phõn t khụng tr
thnh lng cc in v c gi l phõn t khụng t phõn cc. éú l trng hp ca cỏc cht in mụi
(Hỡnh 12.11b) v cỏc khớ him.
Ta cú th gii thớch quỏ trỡnh xut hin in tớch trờn cht in mụi da vo cu to phõn t ca cht in
mụi. õy ch gii hn nghiờn cu trng hp cht in mụi ng cht v ng hng. Cht in mụi
ng cht v ng hng l cht in mụi trong ú cỏc tớnh cht vt lý núi chung v s phõn cc núi riờng
ti mi im v theo mi phng u nh nhau.
b) Gii thớch hin tng phõn cc.
Ta xột mt khi in mụi t trong mt in trng v ln lt nghiờn cu quỏ trỡnh phõn cc ca
hai loi cht in mụi k trờn.
Loi cht in mụi cú phõn t t phõn cc: éi vi loi ny, khi ta cha t khi in mụi vo trong
in trng, cỏc lng cc phõn t do chuyn ng nhit nờn sp xp hn lon theo mi phng (Hỡnh

12.12). Do ú tng vect ca cỏc mụmen lng cc phõn t bng khụng, trờn khi in mụi khụng xut
hin cỏc in tớch.

Như vậy có các điện tích trái dấu xuất hiện ở hai mặt giới hạn trước và sau của khối điện môi. Mặt
điện trường ngoài đi vào sẽ tích điện âm, mặt điện trường ngoài đi ra sẽ tích điện dương. Chất điện môi đã
bị phân cực. (Trên các hình vẽ 12.13, 12.14, và 12.16 điện trường ngoàiĠhướng từ trái sang phải).
Loại chất điện môi có phân tử không tự phân cực. Ðối với loại này, khi ta chưa đặt khối điện môi
vào trong điện trường ngoài, các trọng tâm điện tích dương và âm của các phân tử trùng nhau. Trong khối
điện môi không có các lưỡng cực phân tử xuất hiện và trên mặt khối điện môi cũng không có các điện tích
xuất hiện (Hình 12.15)
Kết luận: Dù chất điện môi thuộc loại nào, khi đặt vào trong một điện trường ngoài thì ở trên hai mặt
giới hạn của khối điện môi cũng xuất hiện các điện tích trái dấu. Các điện tích này đều là các điện tích liên
kết, định xứ ở trên mặt giới hạn của khối điện môi.
Tuỳ theo chất điện môi, điện tích của các lưỡng cực phân tử sẽ lớn hay nhỏ và tuỳ thuộc theo cường
độ điện trườngĠbên ngoài và các lưỡng cực phân tử sẽ quay hướng nhiều hay ít. Vậy mức độ phân cực của
một chất điện môi phụ thuộc vào bản chất của chất điện môi và cường độ điện trường bên ngoài.
c. Vectơ phân cực điện môi
Ðể đặc trưng cho mức độ phân cực của chất điện môi, người ta đưa khái niệm vectơ phân cực điện
môi. Vectơ phân cực điện môiĠbằng tổng các vectơ mômen lưỡng cực điệnĠcủa các phân tử có trong một
đơn vị thể tích của chất điện môi. Chúng ta hãy xét một thể tích V của một khối điện môi đã bị phân cực.
Thể tích đó phải lớn hơn rất nhiều so với kích thước của phân tử để có thể chứa được một số lớn các phân
tử. Từ định nghĩa của véc tơ phân cực, ta có thể viết:
IV. ÐIỆN TRƯỜNG TRONG CHẤT ÐIỆN MÔI
TOP