Đang tải... (xem toàn văn)
Bài giảng Lý thuyết trường điện từ: Năng lượng & điện thế
Nguyễn Công Phương Lý thuyếttrường điệntừ Lý thuyết trường điện từ Dòng điện & vật dẫn Nội dun g 1. Giới thiệu 2. Giải tích véctơ 3. Luật Coulomb & cường độ điện trường 4. Dịch chuyển điện, luật Gauss & đive 5. Năng lượng & điện thế 6. Dòng điện & vật dẫn 7. Điện môi & điện dun g g 8. Các phương trình Poisson & Laplace 9. Từ trường dừng 10. L ự c từ & đi ệ n cảm ự ệ 11. Trường biến thiên & hệ phương trình Maxwell 12. Sóng phẳng 13. Phảnxạ &tánxạ sóng phẳng Dòng điện & vật dẫn 2 13. Phản xạ & tán xạ sóng phẳng 14. Dẫn sóng & bức xạ Dòn g điện & vật dẫn • Dòng điện&mật độ dòng điện Dòng điện & mật độ dòng điện •Vật dẫn kim loại • Tính chấtvậtdẫn&điềukiệnbờ • Tính chất vật dẫn & điều kiện bờ •Phương pháp soi gương • Bán dẫn • Bán dẫn Dòng điện & vật dẫn 3 Dòn g điện & mật độ dòn g điện (1) • Các hạt điện tích chuyển động tạo thành dòng điện Các hạt điện tích chuyển động tạo thành dòng điện dQ I dt • Đơn vị A (ampère) • Dòng điện là dòng chuyển động của các hạtmangđiện dt • Dòng điện là dòng chuyển động của các hạt mang điện tích dương Dòng điện & vật dẫn 4 Dòn g điện & mật độ dòn g điện (2) • Dòng điện: biếnthiênđiện tích (theo thời gian) qua một Dòng điện: biến thiên điện tích (theo thời gian) qua một mặt, đơn vị A •M ậ t đ ộ dòn g đi ệ n: J ( A/m 2 ) ậ ộ g ệ ( ) •Gia số của dòng điện qua một vi phân mặt vuông góc với m ậ t đ ộ dòn g đi ệ n: ậ ộ g ệ ΔI = J N ΔS • Nếu m ậ t độ dò n g đ i ệ n kh ô n g vuô n g góc vớ i m ặ t : ếu ậ độ dò g đ ệ ô g vuô g góc vớ ặ : ΔI = J.ΔS • Dòng tổng: JS Id Dòng điện & vật dẫn 5 Dòng tổng: J . S S Id Dòn g điện & mật độ dòn g điện (3) v Qv z Qv SL S v Qv v SL v Q Sx S L x y x v Q Q I t v x IS t x t vx Sv xvx Jv x IJS xvx Jv Dòng điện & vật dẫn 6 Jv v Dòn g điện & mật độ dòn g điện (4) Cho J = 10 ρ 2 z a – 4 ρ cos 2 φ a mA/m 2 T ính dòng Ví dụ 1 z z = 2 JS Id JS d Cho J 10 ρ z a ρ 4 ρ cos φ a φ mA/m . T ính dòng điện tổng chảy ra khỏi mặt đứng của hình trụ. ρ =3 z = 1 J . S S Id 3 J . S S d z d ρ 22 3 10.3 4.3cosJa a z x y ρ = 3 z + d z d ρ dz 3 2 90 12cosaaz 3 Sa a ddd dd 0 φ zd z z 3 Sa a ddd z dd z Dòng điện & vật dẫn 7 x ρ φ ρ+dρ φ+dφ ρdφ Dòn g điện & mật độ dòn g điện (4) Ví dụ 1 Cho J = 10 ρ 2 z a – 4 ρ cos 2 φ a mA/m 2 T ính dòng z z = 2 JS Id JS d Cho J 10 ρ z a ρ 4 ρ cos φ a φ mA/m . T ính dòng điện tổng chảy ra khỏi mặt đứng của hình trụ. ρ =3 z = 1 J . S S Id 3 J . S S d 22 3 10.3 4.3cosJa a z x y ρ = 3 3 2 90 12cosaaz 3 270J.Sdzddz 3 Sa a ddd dd 3 22 270 z Izddz 2 2270 z zdz 254A 3 Sa a ddd z dd z Dòng điện & vật dẫn 8 10 270 z Izddz 1 2 . 270 z zdz 2 , 54 A Dòn g điện & mật độ dòn g điện (5) J. S S I d Dòng điện chảy ra khỏi một mặt kín: Điện tích dương trong mặtkín: Q Điện tích dương trong mặt kín: Q i Định luật bảo toàn điện tích J. S i S dQ Id dt dt • Trong lý thuyết mạch, I = dQ/dt vì đó là dòng chảy vào Dòng điện & vật dẫn 9 • Trong lý thuyết trường, I = – dQ/dt vì đó là dòng chảy ra Dòn g điện & mật độ dòn g điện (6) JS i dQ Id J . S i S dQ Id dt (.) i V dQ dv dt J () ddv JS J ( định lý đive ) iv V Qdv ( . ) SV ddv J . SJ ( định lý đive ) (.) v VV d dv dv dt J v V dv t () v vv t .J v t .J Dòng điện & vật dẫn 10 t t [...]... v r r r Dòng điện & vật dẫn 12 Dòng điện & vật dẫn • • • • • Dòng điện & mật độ dòng điện Vật dẫn kim loại Tính chất vật dẫn & điều kiện bờ Phương pháp soi gương Bán dẫn Dòng điện & vật dẫn 13 Vật dẫn kim loại (1) • Thuyết lượng tử • Dải hoá trị, dải dẫn, khe năng lượng • Vật dẫn kim loại: dải hoá trị tiếp xúc với dải dẫn, trường dẫn bên ngoài có thể tạo thành một dòng điện tử • Trong vật dẫn... E.dS S Dòng điện & vật dẫn 17 Dòng điện & vật dẫn • • • • • Dòng điện & mật độ dòng điện Vật dẫn kim loại Tính chất vật dẫn & điều kiện bờ Phương pháp soi gương Bán dẫn Dòng điện & vật dẫn 18 Tính chất vật dẫn & điều kiện bờ (1) ấ ề • Giả sử có một số điện tử xuất hiện bên trong vật dẫn • Các điện tử sẽ tách xa ra khỏi nhau, cho đến khi chúng tới bề mặt của vật dẫn ặ ậ • Tính chất 1: mật độ điện tích... 3,542 1, 77 2 3,96 nC/ m 2 Dòng điện & vật dẫn S , P 3,96 nC/ m 2 , 22 Dòng điện & vật dẫn • • • • • Dòng điện & mật độ dòng điện Vật dẫn kim loại Tính chất vật dẫn & điều kiện bờ Phương pháp soi gương Bán dẫn Dòng điện & vật dẫn 23 Phương pháp soi gương (1) +Q +Q Mặt đẳng thế, V = 0 Mặt phẳng dẫn, V = 0 –Q • Lưỡng cực: mặt phẳng ở giữa hai cực là mặt có điện thế bằng zero • Mặt phẳng đó có thể... 0 E N 8,854.10 12 332 2,938 nC/m 2 Dòng điện & vật dẫn y P(2, 5, 0) z 40 nC/m C/ R+ y P R– – 40 nC/m 27 Dòng điện & vật dẫn • • • • • Dòng điện & mật độ dòng điện Vật dẫn kim loại Tính chất vật dẫn & điều kiện bờ Phương pháp soi gương Bán dẫn Dòng điện & vật dẫn 28 Bán dẫn • Germani, silicon J • Điện dẫn suất của kim loại: E σ = – ρe μe • Điện dẫn suất của bán dẫn: σ = – ρe μe + ρh μh • h:... thay lưỡng cực bằng một điện tích & một mặt phẳng dẫn điện mà không làm thay đổi các trường phía trên mặt dẫn tha Dòng điện & vật dẫn 24 Phương pháp soi gương (2) +Q +Q Mặt đẳng thế, V = 0 Mặt phẳng dẫn, V = 0 –Q +Q +Q Mặt đẳng thế, V = 0 ẳ ế Mặt phẳng dẫn, V = 0 ẳ ẫ –Q Dòng điện & vật dẫn 25 Ví dụ 1 Phương pháp soi gương (3) ρL ρL +1 +1 –5 Mặt phẳng dẫn, V = 0 –5 ? Mặt đẳng thế, V = 0 1 Luật C l b... Tính chất 1: mật độ điện tích bên trong vật dẫn bằng zero, bề mặt vật dẫn có một điện tích mặt , ặ ậ ộ ệ ặ • Bên trong vật dẫn không có điện tích → không có dòng điện → cường độ điện trường bằng zero (theo định luật Ohm) • Tính chất 2: cường độ điện trường bên trong vật dẫn bằng zero ằ Dòng điện & vật dẫn 19 Tính chất vật dẫn & điều kiện bờ (2) ấ ề D ΔS Δh DN E.dL 0 b a c b c a d 0 Ebên...Ví dụ 2 Dòng điện & mật độ dòng điện (7) et Khảo sát mật độ dòng điện J a r A/m2 r et I Jr S (4 r 2 ) 4 re t r I t 1 s, r 5 m 4 5e 1 23,1 A I t 1 s, r 6 m 4 6e 1 27 7 A 27, Dòng điện & vật dẫn 11 Ví dụ 2 Dòng điện & mật độ dòng điện (8) et Khảo á ậ Khả sát mật độ dòng điện J dò điệ A/m a r A/ 2 r et v ar .J ... – – – – – μe, Germani: 0,36 m2/Vs; μh Germani: 0,17 m2/Vs h, – μe, Silicon: 0,12 m2/Vs; μh, Silicon: 0,025 m2/Vs Dòng điện & vật dẫn 29 Dòng điện & vật dẫn • • • • • Dòng điện & mật độ dòng điện Vật dẫn kim loại Tính chất vật dẫn & điều kiện bờ Phương pháp soi gương Bán dẫn Dòng điện & vật dẫn 30 ... bên canh bên canh Q 0 Dòng điện & vật dẫn DN S Q S S DN S 0 E N 20 Tính chất vật dẫn & điều kiện bờ (3) ấ ề D Dtt Ett 0 DN 0 E N S ΔS Δh DN Dtt EN a Δw b Δh Δh d Δw c E Ett Vật dẫn x Vxy E.dL 0 y Tính chất của vật dẫn trong điện trường tĩnh: C g ộ ệ g g ậ g 1 Cường độ điện trường tĩnh trong vật dẫn bằng zero 2 Cường độ điện trường tĩnh tại bề mặt của vật... dẫn kim loại: F = – eE Dòng điện & vật dẫn 14 Vật dẫn kim loại (2) • • • • • • F = – eE Trong chân không, vận tốc của điện tử sẽ tăng liên tục Trong vật dẫn, vận tốc này sẽ tiến đến một giá trị trung dẫn bình hằng số: vd = – μeE μe: độ cơ động của điện tử, đơn vị m2/Vs, luôn dương VD: Al: 0,0012; Cu: 0,0032; Ag: 0,0056 0 0012; 0 0032; 0 0056 J = ρvv → J = – ρe μeE Dòng điện & vật dẫn 15 Vật dẫn kim loại