CHNG II VT DN Ths Trn Ngc Dng

CHƯƠNG II: VẬT DẪN Ths Trần Ngọc Dũng& Th. S Tạ Thị Kim Tuyến

Nội dung chính I. Vật dẫn Chương II Vật dẫn II. Hiện tượng điện hưởng III. Tụ điện IV. Năng lượng điện trường 2

I. VẬT DẪN C N BẰNG TĨNH ĐIỆN Materials Electrical conductor Semiconductors Electrical insulators

I. Vật dẫn A. Khái niệm vật dẫn � Vật dẫn là vật có các hạt mang điện tự do (electron, ion dương, ion âm) chuyển động trong toàn bộ vật dẫn. � Trong kỹ thuật, vật dẫn cân bằng tĩnh điện là vật dẫn được nạp điện tích (thừa hoặc thiếu electron) hoặc vật dẫn được đặt trong điện trường khi tất cả điện tích trong nó đã đứng yên. 4

B. Điều kiện cân bằng tĩnh điện 1. Vectơ cường độ điện trường tại mọi điểm bên trong vật dẫn phải bằng không. (Nếu thì dưới tác dụng của điện trường này, các electron sẽ dịch chuyển, làm mất trạng thái cân bằng tĩnh điện. ) 5

B. Điều kiện cân bằng tĩnh điện � 6

C. Tính chất của vật dẫn ở trạng thái cân bằng tĩnh điện � 7

C. Tính chất của vật dẫn ở trạng thái cân bằng tĩnh điện � 8

C. Tính chất của vật dẫn ở trạng thái cân bằng tĩnh điện 3. Sự phân bố điện tích trên mặt vật dẫn phụ thuộc vào hình dạng của vật dẫn đó �Vật dẫn có dạng đối xứng (mặt cầu, mặt phẳng vô hạn, mặt trụ dài vô hạn…) và đồng chất thì điện tích được phân bố đều trên bề mặt. � Vật dẫn có hình dạng bất kỳ sự phân bố điện tích trên mặt vật dẫn sẽ phân bố không đều. 9

II. Hiện tượng điện hưởng A. Hiện tượng điện hưởng Hiện tượng các điện tích cảm ứng xuất hiện trên vật dẫn (lúc đầu không mang điện) khi đặt trong điện trường ngoài được gọi là hiện tượng điện hưởng. 10

B. 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. 11

C. Điện hưởng một phần và điện hưởng toàn phần Trong trường hợp vật dẫn bao gồm toàn bộ số đường sức cảm ứng xuất phát từ vật mang điện, ta có hiện tượng điện hưởng toàn phần, trong trường hợp ngược lại ta có hiện tuợng điện hưởng một phần. 12

1. Điện hưởng một phần �Trong trường hợp điện hưởng một phần, độ lớn của điện tích cảm ứng nhỏ hơn độ lớn điện tích trên vật mang điện. q' < q 13

2. Điện hưởng toàn phần Trong trường hợp điện hưởng toàn phần, độ lớn điện tích cảm ứng bằng độ lớn điện tích trên vật mang điện: q' = q 14

III. Tụ điện A. Điện dung của vật dẫn cô lập 1. Khái niệm �Một vật dẫn được gọi là cô lập về điện nếu gần nó không có một vật nào khác có thể gây ảnh hưởng đến sự phân bố điện tích trên vật dẫn đang xét. �Xét một vật dẫn trung hòa điện. Q 1 V 1 Q 2 V 2 … 15

A. Điện dung của vật dẫn cô lập � 16

A. Điện dung của vật dẫn cô lập � 17

A. Điện dung của vật dẫn cô lập ? Tính điện dung của Trái Đất (R = 6400 km). Tính độ biến thiên điện thế của Trái Đất nếu tích thêm cho nó 1 C. - Điện dung: - Tích thêm 1 C: 18

A. Điện dung của vật dẫn cô lập 3. Hệ vật dẫn tích điện cân bằng Đối với một vật dẫn cô lập: q = C. V Vậy đối với ba điện tích nói trên: C 11, C 22, C 33 được gọi là điện dung của các vật dẫn 1, 2, 3 C 12, C 13, …, C 32 được gọi là các độ điện hưởng Đã chứng minh được: Cij 0 Cij = Cji (hệ thức đối xứng) (i và k = 1, 2, 3) 19

B. Tụ điện là một trường hợp riêng của hệ vật dẫn. 1. Định nghĩa Tụ điện là một hệ 2 vật dẫn A và B sao cho vật dẫn B bao bọc hoàn toàn vật dẫn A (A, B được gọi 2 cốt hoặc 2 bản của tụ điện). Khi đó 2 vật dẫn A, B ở trạng thái điện hưởng toàn phần. 20

B. Tụ điện 2. Tính chất Giả sử A tích điện q 1, mặt trong của B xuất hiện điện tích q 2, mặt ngoài của B xuất hiện điện tích q'2. �Tính chất 1: q 1 + q 2 = 0 (1) Như vậy 2 vật dẫn A, B ở trạng thái điện hưởng toàn phần thì điện tích xuất hiện trên 2 mặt đối diện có giá trị đối nhau. 21

B. Tụ điện �Tính chất 2: Gọi V 1, V 2 lần lượt là điện thế của hai vật dẫn A, B. Ta có: Nếu ta nối vật dẫn B với đất: Tổng quát, khi sử dụng tụ điện, 2 bản của tụ thường được nối với nguồn hay với các vật dẫn khác nên q'2 không xuất hiện 22

B. Tụ điện �Tính chất 2: Kết hợp với tính chất đối xứng của các hệ số điện hưởng, ta có: C được gọi là điện dung của tụ điện. 23

B. Tụ điện �Tính chất 3: q 1 > 0 nên V 1 > V 2 Trong tụ điện, điện thế của bản tích điện dương cao hơn điện thế của bản tích điện âm. Đặt q = q 1 = - q 2: điện tích của tụ điện U = V 1 – V 2 = U 12 = UAB: hiệu điện thế giữa hai bản tụ q = C. U 24

C. Điện dung của một số tụ điện 1. Tụ điện phẳng �Hai bản tụ điện là 2 mặt phẳng kim loại có cùng điện tích S đặt song cách nhau một khoảng d. �Điện dung của tụ điện phẳng: 25

C. Điện dung của một số tụ điện 2. Tụ điện cầu Hai bản tụ là 2 mặt cầu đồng tâm bán kính R 1 và R 2 (bao bọc lẫn nhau). �Hiệu điện thế giữa hai bản tụ: Điện dung: �Nếu coi R 2 – R 1 = d << R 1 ta có thể coi R 2 R 1. Khi đó điện dung của tụ điện cầu: 26

C. Điện dung của một số tụ điện 3. Tụ điện trụ �Hai bản tụ là 2 mặt trụ kim loại đồng trục bán kính lần lượt bằng R 1 và R 2 và có chiều cao bằng h. �Điện dung của tụ điện: �Nếu d = R 2 – R 1 << R 1 thì điện dung của tụ điện: 27

D. Ghép tụ Ghép nối tiếp Ghép song 28

B. TỤ ĐIỆN (Capacitor) 1 – Khái niệm, phân loại:

B. TỤ ĐIỆN (Capacitor) 1 – Khái niệm, phân loại: • Tụ hoá • Tụ tantal • SMD (surface mount device)

B. TỤ ĐIỆN (Capacitor) 1 – Khái niệm, phân loại: • Tụ gốm • Tụ mica • Tụ giấy, tụ nhựa plastic, tụ màng mỏng

B. TỤ ĐIỆN (Capacitor) 1 – Khái niệm, phân loại: • Tụ sứ • Tụ xoay

IV. Năng lượng điện trường 33

A. Năng lượng tương tác của một hệ điện tích điểm Khi cho điện tích điểm q 2 đặt trong điện trường của một điện tích điểm q 1 thì thế năng của q 2 là: Và Hay Đối với hệ n điện tích điểm q 1, q 2, q 3, … qn tương tự ta có: 34

B. Năng lượng của một vật dẫn cô lập tích điện Giả sử chia vật dẫn thành từng điện tích điểm dq ta có: Với vật dẫn cân bằng V= Const nên Hay 35

C. Năng lượng tụ điện Tụ điện là hệ hai vật dẫn có điện tích q 1, q 2 và điện thế V 1, V 2. Năng lượng của tụ điện: Hay 36

D. Năng lượng điện trường Xét một tụ điện có điện dung: Năng lượng của tụ điện: Do U = E. d nên có thể viết: Trong đó S. d = V là thể tích không gian giữa hai bản hay thể tích không gian điện trường. Năng lượng của tụ điện chính là năng lượng của điện trường định xứ trong khoảng không gian giữa hai bản tụ điện. 37

D. Năng lượng điện trường Điện trường của tụ điện là điện trường đều Mật độ năng lượng điện trường: là mật độ năng lượng định xứ trong một đơn vị thể tích của không gian điện trường 38

D. Năng lượng điện trường Kết luận �Điện trường mang năng lượng: Năng lượng này định xứ trong không gian của điện trường. �Mật độ năng lượng điện trường tại một điểm 39

Nội dung chính Vật dẫn • Khái niệm vật dẫn • Điều kiện cân bằng tĩnh điện • Tính chất của vật dẫn mang điện Hiện tượng điện hưởng • Định lý các phần tử tương ứng • Điện hưởng một phần và điện hưởng toàn phần Tụ điện • Điện dung của vât dẫn cô lập • Điện dung của một số tụ điện � Tụ điện Năng lượng điện trường • NL tương tác của một hệ điện tích điểm � Năng lượng tụ điện • NL của một vật dẫn cô lập tích điện � Năng lượng điện trường 40

BÀI TẬP 41

Bài 1 Cho hai mặt cầu kim loại đồng tâm bán kính R 1 = 4 cm; R 2 = 2 cm mang điện tích q 1 = -2/3. 10 -9 C và q 2 = 9. 10 -9 C. Tính cường độ điện trường và điện thế tại những điểm cách tâm mặt cầu những khoảng bằng 1 cm; 2 cm; 3 cm; 4 cm; 5 cm. 42

Bài 1 r (cm) E 1 E 2 E (V/m) V 1 V 2 V (V) 1 2 3 0 0 202500 90000 -150 4050 2700 3900 2550 4 5 3750 2400 50625 32400 46875 30000 -150 -120 2025 1620 1875 1500 43

Bài 2 Một quả cầu kim loại bán kính 10 cm, điện thế 300 V. Tính mật độ điện mặt của quả cầu. Đs. = 2, 6. 10 -8 C/m 2 44

Bài 3 Hai quả cầu kim loại bán kính 8 cm và 5 cm nối với nhau bằng một dây dẫn có điện dung không đáng kể, và được tích một điện lượng Q = 13. 10 -8 C. Tính điện thế và điện tích của mỗi quả cầu. Đs. q 1 = 8. 10 -8 C; q 2 = 5. 10 -8 C; V = 9000 V 45

Bài 4 Một quả cầu kim loại bán kính R = 1 m mang điện tích q = 10 -6 C. Tính: a. Điện dung của quả cầu. b. Điện thế của quả cầu. c. Năng lượng trường tĩnh điện của quả cầu. Đs. a. 0, 11. 10 -9 F; b. 9. 103 V; c. 4, 5. 10 -3 J 46

Bài 5 Tính điện dung của Trái đất, biết bán kính Trái đất là 6400 km. Tính độ biến thiên điện thế của nó nếu tích thêm cho nó 1 C. Đs. 7, 1. 10 -4 F; 1400 V 47

Bài 6 Một tụ điện có điện dung C 1 = 20 F, hiệu điện thế giữa hai bản là U 1 = 100 V. Người ta nối song nó với một tụ thứ hai có hiệu điện thế trên hai bản U 2 = 40 V. Xác định điện dung của tụ điện thứ hai (C 2) biết hiệu điện thế sau khi nối là U = 80 V. Đs. 10 F 48

Bài 7 Một tụ điện có điện dung C = 2 F được tích một điện lượng q = 10 -3 C. Sau đó, các bản của tụ điện được nối với nhau bằng một dây dẫn, Tìm nhiệt lượng tỏa ra trong dây dẫn khi tụ điện phóng điện và hiệu điện thế giữa hai bản của tụ điện trước khi phóng điện. Đs. 0, 25 J 49

Bài 8 Xác định nhiệt lượng tỏa ra khi nối các bản phía trên (bản không nối đất) của hai tụ điện bằng một dây dẫn. Hiệu điện thế giữa bản phía trên của các tụ điện với đất lần lượt bằng U 1 = 100 V; U 2 = - 50 V; điện dung của các tụ điện bằng C 1 = 2 F; C 2 = 0, 5 F. Đs. 4, 5. 10 -3 J 50

TRẮC NGHIỆM 51

Câu 1. Vật nào sau đây không phải là vật dẫn? A. Chiếc khuyên vàng 99, 99 trên tai cô bạn gái xinh đẹp. B. Nước trong tô phở bạn đang ăn ngon lành. C. Viên phấn trắng trên tay thầy giáo. D. Bức tường ẩm ướt trong cơn mưa. 52

Câu 2. Vật nào sau đây là vật dẫn ở trạng thái cân bằng tĩnh điện? A. Thỏi vàng cô lập sau khi được rọi tia sáng, xảy ra hiệu ứng quang điện B. Dây tóc bóng đèn đang tỏa sáng ổn định. C. Đoạn dây đồng đang có dòng điện không đổi chạy qua. D. 2 trong 3 đáp án trên đúng. 53

Câu 3. Hãy chỉ ra quả cầu làm bằng vật dẫn trong số các quả cầu cô lập sau đây. Biết rằng sau khi tích điện cho chúng rồi ngắt ra thì: A. Qủa cầu 1: điện tích phân bố đều trong thể tích. B. Qủa cầu 2: cường độ điện trường E tăng dần từ tâm ra bề mặt. C. Qủa cầu 3: điện thế ở tâm và ở bề mặt khác nhau. D. Qủa cầu 4: điện tích chỉ phân bố một lớp mỏng trên bề mặt. 54

Câu 4. � 55

Câu 5. Tại điểm nào dưới đây không có điện trường? A. Ở ngoài, gần quả cầu cao su nhiễm điện B. Ở trong lòng quả cầu thép nhiễm điện C. Ở ngoài, gần quả cầu thép nhiễm điện D. Ở trong lòng quả cầu bằng êbônít nhiễm điện. 56

Câu 6. Có một bức tượng Tôn Ngộ Không bằng đồng đã nhiễm điện âm. Vậy: A. Điện thế ở những chỗ lồi, nhọn cao hơn điện thế ở những chỗ phẳng, lõm B. Điện trường mạnh nhất ở trọng tâm bức tượng C. Điện tích phân bố đều ở thể tích bức tượng D. Cả 3 đáp án trên sai. 57

Câu 7. Chọn đáp án sai: Khi tích điện cho một vật có hình dạng méo mó, lồi lõm. A. Nếu điện tích phân bố khắp thể tích thì nó không phải là kim loại B. Nếu điện tích chỉ phân bố trên bề mặt thì nó là kim loại. C. Nếu điện thế ở mọi điểm trên bề mặt như nhau thì nó là kim loại. D. Nếu điện thế ở các điểm trong vật khác nhau thì nó là kim loại. 58

Câu 8. Chọn V = 0. Xét đặc điểm điện thế V cách tâm O của quả cầu kim loại bán kính a, tích điện q một đoạn r. Nếu q > 0 thì: A. Trong khoảng 0 < r < a: khi r tăng thì V giảm B. Trong khoảng 0 < r < a: khi r tăng thì V tăng C. Trong khoảng r > a: khi r tăng thì V tăng D. Trong khoảng r > a: khi r tăng thì V giảm. 59

Câu 9. Chọn V = 0. Xét đặc điểm điện thế V cách tâm O của quả cầu kim loại bán kính a, tích điện q một đoạn r. Nếu q < 0 thì: A. Trong khoảng 0 < r < a: khi r tăng thì V giảm B. Trong khoảng 0 < r < a: khi r tăng thì V tăng C. Trong khoảng r > a: khi r tăng thì V tăng D. Trong khoảng r > a: khi r tăng thì V giảm. 60

Câu 10. Tích điện cho quả cầu kim loại bán kính a. Gốc điện thế ở vô cực. Chọn hình thể hiện sự biến thiên theo khoảng cách r kể từ tâm O của trị số cường độ điện trường E: 61

Câu 11. Tích điện cho quả cầu kim loại bán kính a. Gốc điện thế ở vô cực. Chọn hình thể hiện sự biến thiên theo khoảng cách r kể từ tâm O của điện thế V: 62

Câu 12. Hai quả cầu thép, bán kính R 1, R 2, tích điện q như nhau, đặc xa nhau. Ký hiệu điện tích bề mặt S, mật độ điện mặt , mật độ điện khối , điện thế V, cường độ điện trường E. Nếu R 1 = 2 R 2 thì: A. S 1 = 2 S 2 B. 2 = 4 1 C. 2 = 8 1 D. 1 = 2 2 63

Câu 13. Chọn đáp án sai: Hai quả cầu thép, bán kính R 1, R 2, tích điện q như nhau, đặc xa nhau. Ký hiệu điện tích bề mặt S, mật độ điện mặt , mật độ điện khối , điện thế V, cường độ điện trường E. Nếu R 2 = 3 R 1 thì: A. S 2 = 9 S 1 B. 1 = 9 2 C. 1 = 27 2 D. 1 = 2 = 0 64

Câu 14. Hai quả cầu thép, bán kính R 1, R 2, tích điện q như nhau, đặc xa nhau. Ký hiệu điện tích bề mặt S, mật độ điện mặt , mật độ điện khối , điện thế V, cường độ điện trường E. Nếu R 1 = 4 R 2, chọn V = 0. So sánh điện thế ở sát mặt ngoài mỗi quả. A. V 1 = 4 V 2 B. V 2 = 4 V 1 C. V 2 = 16 V 1 D. V 1 = V 2 65

Câu 15. Hai quả cầu thép, bán kính R 1, R 2, tích điện q như nhau, đặc xa nhau. Ký hiệu điện tích bề mặt S, mật độ điện mặt , mật độ điện khối , điện thế V, cường độ điện trường E. Nếu R 1 = 4 R 2, chọn V = 0. So sánh điện thế ở tâm mỗi quả. A. V 1 = 4 V 2 B. V 2 = 4 V 1 C. V 2 = V 1 = 0 66 D. V 1 = V 2 ≠ 0

Câu 16. Hai quả cầu thép, bán kính R 1, R 2, tích điện q như nhau, đặc xa nhau. Ký hiệu điện tích bề mặt S, mật độ điện mặt , mật độ điện khối , điện thế V, cường độ điện trường E. Nếu R 1 = 2 R 2, So sánh cường độ điện trường ở sát mặt ngoài mỗi quả. A. E 1 = 4 E 2 B. E 2 = 4 E 1 C. E 2 = 16 E 1 D. E 1 = E 2 67

Câu 17. Hai quả cầu thép, bán kính R 1, R 2, tích điện q như nhau, đặc xa nhau. Ký hiệu điện tích bề mặt S, mật độ điện mặt , mật độ điện khối , điện thế V, cường độ điện trường E. Nếu R 1 = 2 R 2, So sánh cường độ điện trường ở tâm mỗi quả. A. E 1 = 4 E 2 B. E 2 = 4 E 1 C. E 2 = E 1 = 0 D. E 1 = E 2 ≠ 0 68

Câu 18. Tích điện q = 6, 28. 10 -9 C cho khối cầu kim loại bán kính R = 10 cm. Xác định biểu thức mật độ điện mặt (C/m 2) của khối cầu: 69

Câu 19. Tích điện q = 6, 28. 10 -9 C cho khối cầu kim loại bán kính R = 10 cm. Tính mật độ điện mặt (C/m 2) của nó. Thay số: A. 2. 10 -7 B. 1, 5. 10 -6 C. 2. 10 -6 D. Cả 3 đều sai 70

Câu 20. Tích điện như nhau cho hai quả cầu bằng vàng cùng kích thước, quả 1 đặc, quả 2 rỗng. Chọn V = 0. So sánh điện thế V 1, V 2 ở sát mặt ngoài mỗi quả. A. V 1 > V 2 B. V 1 = V 2 ≠ 0 C. V 1 < V 2 D. V 1 = V 2 = 0 71

Câu 21. Tích điện như nhau cho hai quả cầu bằng vàng cùng kích thước, quả 1 đặc, quả 2 rỗng. Chọn V = 0. So sánh cường độ điện trường E 1, E 2 ở sát mặt ngoài của mỗi quả. A. E 1 > E 2 B. E 1 = E 2 ≠ 0 C. E 1 < E 2 D. E 1 = E 2 = 0 72

Câu 22. Tích điện như nhau cho hai quả cầu bằng vàng cùng kích thước, quả 1 đặc, quả 2 rỗng. Chọn V = 0. So sánh mật độ điện mặt 1, 2 của mỗi quả. A. 1 > 2 B. 1 = 2 0 C. 1 < 2 D. 1 = 2 = 0 73

Câu 23. Tích điện như nhau cho hai quả cầu bằng vàng cùng kích thước, quả 1 đặc, quả 2 rỗng. Chọn V = 0. So sánh mật độ điện khối 1, 2 của mỗi quả. A. 1 > 2 B. 1 = 2 0 C. 1 < 2 D. 1 = 2 = 0 74