CHUONG12 VAT DAN DIEN VA CHAT DIEN MOI

CHƢƠNG 12 VẬT DẪN ÐIỆN VÀ CHẤT ÐIỆN MÔI

I.

II.

III.

IV.
V.

VI.

VII.

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.
VẬT DẪN ÐẶT TRONG ÐIỆN TRƢỜNG
1.
Hiện tượng điện hưởng.
2.
Màn điện.
SỰ PHÂN CỰC CỦA CHẤT ÐIỆN MÔI
1.
Khái niệm.
2.
Giải thích hiện tượng phân cực.
ÐIỆN TRƢỜNG TRONG CHẤT ÐIỆN MÔI

ÐIỆN MÔI SÉCNHÉT- HIỆU ỨNG ÁP ÐIỆN
1.
Ðiện môi Sécnhét.
2.
Hiệu ứng áp điện.
ÐIỆN DUNG CỦA CÁC VẬT DẪN.
1.
Ðịnh nghĩa.
2.
Ðiện dung của tụ điện.
3.
Các loại tụ điện thường dùng.
NĂNG LƢỢNG ÐIỆN TRƢỜNG
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 trƣờng tại mặt vật dẫn phải có phƣơng 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 TRƢỜNG
1 Hiện tƣợng điện hƣởng

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) Trƣờng hợp điện hƣởng 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) Trƣờng hợp điện hƣởng 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

Ðể giữ cho điện thế của màn không đổi, người ta nối màn điện với đất. Nếu trên màn điện có các
điện tích thì các điện tích này sẽ theo dây dẫn truyền xuống đất. Dây nối với đất được gọi là dây "mass".
III. SỰ PHÂN CỰC CỦA CHẤT ÐIỆN MÔI
1 Khái niệm.
TOP
Khác với các chất dẫn điện, trong các chất điện môi không có các điện tích tự do. Chúng không thể
dẫn điện được. Tuy nhiên khi ta đặt một thanh điện môi, thanh êbônit chẳng hạn, vào trong một điện
trường đủ lớn thì ở hai đầu thanh cũng xuất hiện các điện tích. Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng phân
cực điện môi. Hiện tượng này bề ngoài có vẻ giống như trường hợp ta đặt một vật dẫn vào trong một điện
trường. Nhưng quá trình xuất hiện các điện tích ở trên hai đầu thanh êbônit như thế nào và điện trường ở
bên trong chất điện môi có bị triệt tiêu như trong trường hợp vật dẫn không, đó là những vấn đề chúng ta
sẽ giải quyết.


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 TRƢỜNG TRONG CHẤT ÐIỆN MÔI

TOP



V. ÐIỆN MÔI SÉCNHÉT- HIỆU ỨNG ÁP ÐIỆN
1 Ðiện môi Sécnhét

TOP

a) Trong một khoảng nhiệt độ nào đấy hằng số điện môi của chúng có giá trị rất lớn vào khoảng
10000.
b) Hằng số điện môi này phụ thuộc vào cường độ điện trường trong chất điện môi.
c) Sau khi bỏ điện trường ngoài đi, chất muối này vẫn còn bị phân cực. Hiện tượng đó gọi là hiện
tượng điện trễ .
d) Vượt quá một nhiệt độ Tc nào đó (phụ thuộc vào bản chất của muối Sécnhét) muối Sécnhét mất
hết các đặc tính trên và trở thành chất điện môi thường. Nhiệt độ Tc gọi là nhiệt độ Curie.
Hiện nay muối Sécnhét có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật. Vì có hằng số điện môi rất lớn nên một
trong những ứng dụng quan trọng của muối Sécnhét là dùng nó để chế tạo các tụ điện có điện dung lớn
nhưng kích thước lại nhỏ, rất tiện dùng.
2. Hiệu ứng áp điện

TOP


a. Hiệu ứng áp điện thuận.

biến dạng, trước nén sau giãn hoặc ngược lại thì điện tích xuất hiện ở hai mặt trên cũng đổi dấu. Do điện
tích trái dấu xuất hiện nên giữa hai mặt này có một hiệu điện thế. Nếu gắn vào hai mặt này hai tấm kim
loại và nối lại bằng một dây dẫn thì trong dây sẽ có dòng điện chạy. Hiệu ứng áp điện thuận được dùng để
chuyển các đại lượng cơ học (như lực tác dụng) thành các nguồn phát siêu âm.
VI. ÐIỆN DUNG CỦA CÁC VẬT DẪN.
TOP

1 Ðịnh nghĩa.

Giả sử có một vật dẫn cô lập (nghĩa là một vật không tương tác điện với các vật khác). Ta tích cho
vật đó một điện tích Q thì điện thế của vật đó sẽ bằng V. Thực nghiệm chứng tỏ điện tích Q của vật dẫn cô
lập tỷ lệ với điện thế V của nó:
Q = CV

(12.19)

trong đó C là hệ số tỷ lệ phụ thuộc hình dạng, kích thước của vật dẫn cô lập và được gọi là điện
dung của vật dẫn đó.
Trong công thức trên, ta nhận thấy Q = C khi V = 1 Vol. Vậy điện dung của vật dẫn cô lập là một
đại lượng vật lý, về trị số bằng điện tích mà vật dẫn tích được khi điện thế của nó được đưa từ 0 đến 1
Vol.

2 Ðiện dung của tụ điện.

TOP

a.Tụ điện : Tụ điện đƣợc định nghĩa là một hệ thống hai vật dẫn cô lập ở điều kiện hưởng ứng
điện toàn phần (Hình 12.20)


Vậy Fara là điện dung của một tụ điện khi có điện lượng 1 Culông thì hiệu điện thế giữa hai bản
bằng 1 Vol.
3 Các loại tụ điện thƣờng dùng
TOP
a Tụ điện phẳng:


Như vậy, nếu giữa hai bản có chứa chất điện môi có hằng số điện môi là ( thì điện dung của tụ điện
sẽ tăng lên ( lần so với khi giữa hai bản là chân không hay không khí.
Từ biểu thức trên của điện dung ta nhận thấy muốn cho điện dung C của tụ điện lớn thì diện tích S của hai
bản phải lớn và khoảng cách d giữa hai bản phải nhỏ. Nhưng mỗi tụ điện chỉ chịu được một hiệu điện thế
nhất định; Vượt quá hiệu điện thế đó, sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện giữa hai bản của tụ điện. Tụ điện sẽ
bị hỏng. Do đó để tăng điện dung C ta không thể giảm mãi khoảng cách d giữa hai bản được. Hiệu điện
thế lớn nhất mà tụ điện có thể chịu được gọi là hiệu điện thế xuyên thủng.
Với chất điện môi secnhét là chất có hằng số điện môi ( rất lớn ta không cần phải tăng diện tích S
và giảm khoảng cách d nhiều mà điện dung của tụ điện vẫn lớn


VII.NĂNG LƢỢNG ÐIỆN TRƢỜNG
1. Năng lƣợng của tụ điện

TOP


2 Năng lƣợng của trƣờng tĩnh điện

TOP

a. Trƣờng hợp điện trƣờng đều: Thực nghiệm đã xác nhận rằng, năng lƣợng của tụ điện định
xứ trong khoảng không gian có điện trường giữa hai bản của tụ điện. Mà điện trường, như ta đã biết, là
một dạng của vật chất. Nó có năng lượng W trên được coi là năng lượng của trường tĩnh điện. Ta có thể
biểu diễn năng lượng W đó qua điện trường E giữa hai bản của tụ điện. Thực vậy, gọi d là khoảng cách
giữa hai bản ta có:

b. Trƣờng hợp điện trƣờng bất kỳ.


Biểu thức năng lượng (12.29) tìm được cho một điện trường đều giữa hai bản của một tụ điện
phẳng. Trong trường hợp điện trường là bất kỳ, ta chia thể tích V ra thành vô số những phần tử thể tích dV
vô cùng nhỏ sao cho điện trường trong đó có thể được coi là đều. Năng lượng điện trường trong phần tử
thể tích này có giá trị bằng:

TRỌNG TÂM ÔN TẬP
***&&&***
1.
2.
3.
4.
5.
6.

Ðiều kiện và các tính chất của vật dẫn ở trạng thái cân bằng tĩnh điện.
Giải thích hiện tượng điện hưởng - Ðiện hưởng toàn phần - Ðiện hưởng một phần. Màn chắn tĩnh
điện.
Phân tử tự phân cực và phân tử không tự phân cực. Giải thích sự phân cực của chất điện môi.

Ðiện trường trong chất điện môi.
Hiện tượng áp điện thuận và điện thuận nghịch.
Ðiện dung - Tụ điện - Năng lượng của tụ điện.
CÂU HỎI ĐIỀN THÊM
***&&&***

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

Vật dẫn .......... là vật đẳng thế.
Khi điện trường trong vật dẫn bằng không thì sự phân bố điện tích chỉ....
Môi trường nào có hằng số điện môi càng lớn thì véc tơ cường độ điện trường.....
Thạch anh khi bị áp điện ở hai mặt ngoài......
Sự điện hưởng khác bản chất với sự phân cực điện môi vì..........
Muốn chế tạo ra một tụ điện phẳng có điện dung càng lớn ta chọn.......
Năng lượng điện trường được nhận biết qua.......... khi mà..........
BÀI TẬP
***&&&***


PHÂN TÍCH NHỮNG CÂU PHÁT BIỂU ĐÚNG SAI
***@@@***
1.
2.
3.

4.
5.
6.

Gió điện là hiện tượng phân cực của không khí.
Trong hiện tượng điện hưởng, sự di chuyển của các điện tích trong vật trung hòa chấm dứt khi mà
điện thế các điểm bên trong vật bằng nhau.
Ðiện trường bên trong vật dẫn rỗng thì có phương vuông góc với bề mặt.
Một số chất vẫn tiếp tục bị phân cực khi nó đã cách ly với điện trường ngoài.
Muốn cho hệ tụ điện ghép có điện dung tương đương lớn ta ghép nối tiếp.
Với hai môi trường có hằng số điện môi khác nhau. Mật độ năng lượng của điện trường qua hai
môi trường đó là như nhau.


7.

Hai tụ điện phẳng có cùng điện tích. Tụ nào có khoảng cách hai bản lớn thì năng lượng của nó
lớn.
CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM
***&&&***

2. Tìm một câu phát biểu sai của vật dẫn ở trạng thái cân bằng tĩnh điện:
a) Ðó là vật đẳng thế.
b) Ðiện tích chỉ phân bố tại mặt ngoài của vật.
c) Ðiện tích chỉ dịch chuyển trên mặt ngoài của vật.
d) Sự phân bố điện tích trên vật dẫn là không đều.
e) Ðiện trường bên trong bằng không.
3. Chà sát Nylon nhiều lần rồi đặt gần giấy vụn nó hút được giấy vụn đó là:
a) Hiện tượng điện hưởng.
b) Hiện tượng Ion hóa.

c) Hiện tượng phân cực của chất điện môi.
d) Hiện tượng áp điện.
4. Hai tụ điện lúc đầu tích điện không giống nhau sau đó được nối tiếp nhau qua một nguồn pin U. Tìm
một câu phát biểu đúng trong các câu sau đây:
a) Hiệu điện thế ở hai đầu mỗi tụ điện là như nhau.
b) Ðiện tích trên mỗi tụ điện là bằng nhau.
c) Tụ nào có điện dung lớn sẽ tích điện lớn.
d) Tụ nào có điện dung lớn sẽ có hiệu điện thế hai đầu lớn.
e) Năng lượng dự trữ ở mỗi tụ điện là bằng nhau.
5. Một tụ điện bên trong là không khí được tích điện với điện tích Q. Nếu thay lớp điện môi giữa hai
bản là 3 thì:
a) Hiệu điện thế ở hai bản giảm xuống 3 lần.
b) Hiệu điện thế ở hai bản tăng lên 3 lần.
c) Ðiện tích ở hai bản giảm xuống 3 lần.
d) Ðiện tích ở hai bản tăng lên 3 lần.
e) Không có câu nào là đúng cả.