Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Tran gggyhh Mở đầu . Nội dung. Phần 1: Vật dẫn trong điện trờng. Điều kiện cân bằng tĩnh điện. Tính chất của vật dẫn mang điện . Hiện tợng hởng ứng tĩnh điện Điện dung tụ điện Năng lợng điện trờng . Phơng pháp ảnh điện Phần 2: ứng dụng Dạng 1: Bài tập liên quan đến quả cầu dẫn điện (quả cầu kim loại) Dạng 2: Bài tập áp dụng nguyên lí chồng chất Dạng 3: Bài tập áp dụng định lí O G . Dạng 4: Bài tập áp dụng phơng pháp ảnh điện Dạng 5: Bài tập liên quan đến tụ điện a. Mở đầu 1. Lí do chọn đề tài: -Các hiện tợng trong thiên nhiên thể hiện dới rất nhiều vẻ khác nhau nhng khoa học ngày nay cho rằng chúng đều thuộc vào một trong bốn dạng tơng tác cơ bản: tơng tác hấp dẫn, tơng tác điện từ, tơng tác yếu và tơng tác mạnh. Trong đó tơng tác hấp dẫn và tơng tác điện từ là những tơng tác rất phổ biến. Đối với các 1 | P a g e vật thể thông thờng thì tơng tác hấp dẫn rất yếu ta có thể bỏ qua, nhng tơng tác điện từ rất đáng kể. Định luật có tính định lợng đầu tiên trong lĩnh vực điện từ là định luật Culông. Đó là định luật về tơng tác giữa hai điện tích điểm đặt trong chân không. Khi chỉ có một điện tích thì điện tích đó gây ra trong không gian xung quanh một điện trờng. Điện trờng giữ vai trò truyền tơng tác từ điện tích này sang điện tích khác. Điện trờng là một dạng tồn tại đặc biệt của vật chất, mà biểu hiện của nó là khi đặt một điện tích q o vào trong điện trờng đó thì điện tích q o sẽ chịu tác dụng của một lực điện. Ta tiến hành đặt vật dẫn trong điện tr- ờng thì có các hiện tợng vật lý diễn ra nh thế nào? -Vật dẫn là vật có các hạt mang điện tự do, các hạt mang điện này có thể chuyển động tự do trong toàn bộ vật dẫn. Có nhiều loại vật dẫn ( rắn, lỏng,.) nhng ở đây ta chủ yếu khảo sát các vật dẫn kim loại. Thực nghiệm đã xác nhận, kim loại có cấu trúc tinh thể. ở trạng thái rắn, các ion dơng kim loại (tạo bởi hạt nhân và lớp electron ở lớp vỏ ngoài) do liên kết yếu với hạt nhân và bị các nguyên tử bên cạnh tác động, tách khỏi nguyên tử gốc của chúng và trở thành các electron tự do (gọi là các electron dẫn). Nh vậy, trong vật dẫn kim loại các hạt mang điện tự do là các electron dẫn, chúng có thể dịch chuyển dễ dàng từ nguyên tử này sang nguyên tử khác trong mạng tinh thể. Bình thờng, các electron tự do chuyển động nhiệt xung quang nút mạng tinh thể. chuyển động nhiệt giữa chúng (chuyển động vi mô) không làm ảnh hởng đến điện trờng vĩ mô ở bên trong và ngoài vật dẫn. -Vì những lí do nh trên mà em chọn đề tài: Vật dẫn trong điện trờng và ứng dụng để làm khóa luận tốt nghiệp của mình. Trong đề tài này em tiến hành khảo sát tính chất của vật dẫn kim loại, các hiện tợng vật lí xảy ra ở vật dẫn khi đặt trong điện trờng, tìm hiểu các ứng dụng và giải các bài tập có liên quan. 2. Mục đích: 2 | P a g e Nghiên cứu những tính chất của vật dẫn (vật dẫn kim loại) và những hiện tợng điện xảy ra khi đặt vật dẫn trong điện trờng, những ứng dụng của đề tài trong kĩ thuật và giải các bài tập liên quan. 3. Nhiệm vụ: + Tìm hiểu và giải thích đựơc tính chất của vật dẫn trong điện trờng. + Tìm hiểu hiện tợng điện hởng; hệ vật dẫn tích điện cân bằng. + Tìm hiểu về tụ điện: xác định điện dung của tụ điện và một số tụ điện thờng dùng trong kĩ thuật. + Khảo sát năng lợng điện trờng. 4. Đối tợng nghiên cứu: +Vật dẫn (kim loại) đặt trong điện trờng. + Bài tập vận dụng. 5. Phạm vi nghiên cứu Đề tài: Vật dẫn trong điện trờng và ứng dụng đợc nghiên cứu trong phần tĩnh điện học 6. Phơng pháp nghiên cứu: + Đọc, tra cứu, và nghiên cứu tài liệu. + Thảo luận. B . NộI DUNG 1.1: Vật dẫn trong điện trờng 1.1 : Điều kiện cân bằng tĩnh điện . Tính chất của vật dẫn mang điện . 1.1.1: Điều kiện cân bằng tĩnh điện. -ở đây ta nghiên cứu các hiện tợng tĩnh điện , nghĩa là các hiện tợng trong đó các điện tích đã nằm cân bằng ( nghĩa là không chuyển động để tạo thành dòng điện ) . Trớc hết ta xét điều kiện cân bằng của các điện tích trong vật dẫn kim loại. 3 | P a g e -Trong vật dẫn kim loại có các electron tự do . Dới tác dụng của điện trờng ngoài dù nhỏ đến mức nào , các electron tự do này cũng chuyển dời có hớng và tạo thành dòng điện. Vì vậy, muốn các electron tự do này nằm cân bằng trong vật dẫn thì các điều kiện sau đây phải đợc thoả mãn. + Véctơ cờng độ điện trờng tại mọi điểm bên trong vật dẫn phải bằng 0. = 0 +Thành phần tiếp tuyến của véc tơ cờng độ điện trờng tại mọi điểm bên trên mặt vật dẫn phải bằng 0. = 0 , = Thật vậy nếu 0 và 0 thì các electron tự do bên trong và trên mặt vật dẫn sẽ chuyển dời có hớng dới tác dụng của và cân bằng sẽ bị phá vỡ. 1.1.2. Những tính chất của vật dẫn mang điện. a. Vật dẫn là một vật đẳng thế (điện thế tại mọi điểm trên vật dẫn đều nh nhau) 4 | P a g e Chứng minh: Ta xét một vật dẫn mang điện bên trong vật dẫn ta lấy hai điểm M, N bất kì. Hiệu điện thế giữa hai điểm đó là: V M - V N = N M d = N M E l .dl (3) E l là hình chiếu của trên phơng d ( phơng chuyển dời ) Hình 1: Chứng minh tính chất của vật dẫn mang điện -Vì bên trong vật dẫn = 0 nên theo (3) điện thế tại mọi điểm bên trong vật dẫn đều bằng nhau. - Tơng tự trên mặt vật dẫn ta cũng có = 0 nên theo (3) ta cũng có: điện thế tại mọi điểm trên mặt vật dẫn đều bằng nhau. -Ngời ta cũng chứng minh rằng do tính chất liên tục của điện thế: điện thế tại một điểm sát vật dẫn sẽ bằng điện thế tại một điểm trên mặt vật dẫn. Vậy điện thế tại mọi điểm của vật dẫn đều bằng nhau. 5 | P a g e -Vậy vật dẫn cân bằng tĩnh điện là một khối đẳng thế. Mặt vật dẫn là một mặt đẳng thế. b. Ta truyền cho vật dẫn một điện tích q, khi vật dẫn đã ở trạng thái cân bằng tĩnh điện thì điện tích q chỉ đợc phân bố trên bề mặt của vật dẫn, bên trong vật dẫn điện tích bằng 0 - Chứng minh: Lấy một mặt kín S bất kỳ trong vật dẫn.Tính điện thông gửi qua mặt kín S. Theo định lý O G ta có : o q dSEN == -Vì bên trong vật dẫn E = 0 q = 0 , mặt kín S bất kì nênta có thể kết luận: tổng điện tích bên trong vật dẫn bằng 0. Nếu ta truyền cho vật dẫn một điện tích q thì điện tích này sẽ chuyển ra bề mặt vật dẫn và chỉ đợc phân bố trên bề mặt vật dẫn đó. -Nếu ta khoét rỗng một vật dẫn đặc thì sự phân bố điện tích trên mặt vật dẫn vẫn không hề bị thay đổi nghĩa là: Đối với một vật dẫn rỗng đã ở trạng tháI cân bằng tĩng điện, điện trờng ở phần rỗng và thành trong của vật dẫn rỗng cũng luôn luôn bằng 0. -ứ ng dụng : Nếu ta đem một quả cầu kim loại mang điện cho tiếp xúc với mặt trong của vật dẫn rỗng thì điện tích trên quả cầu mang điện sẽ đợc ding làm nghuyên tắc tích điện cho một vật và do đó nâng điện thế của một vật lên rất cao. Đó là nguyên tắc của máy phát điện Vande Graf cho phếp tạo ra hiệu điện thế hầng triệu vôn. 6 | P a g e -Trung tâm của máy gia tốc Vande Graf là một thiết bị tạo hiệu điện thế vào khoảng vài triệu vôn, bằng cách cho các hạt tích điện nh electron hoặc proton rơi qua hiệu điện thế đó có thểđợc tạo ra một chùm hật có năng lợng cao. Trong y học các chùm nh vậy đợc ding rộng rãi để điều trị một số loại ung th. Trong vật lí, các chùm hật đã đợc gia tốc có thể đợc ding trong nhiều thí nghiệm bắn phá nguyên tử . 7 | P a g e Hình 2: Nguyên lí hoạt động của máy gia tốc Vande Graf ( Nếu hai vỏ cầu dẫn điện đồng tâm không nối với nhau về mặt điện, chúng có thể có điện tích nh hình vẽ. Nhng nếu chúng đợc nối với nhau về mặt điện thì mọi điện tích đợc đặt vào vỏ trong đều sẽ chạy ra vỏ ngoài). Hình 3: Bộ phận chính của máy gia tốc -Hình 3 cho biết làm thế nào để tạo đợc điện thế cao trong một máy gia tốc Vande Graf. Một vỏ dẫn điện nhỏ có bán kính r đợc đặt vào trong một vỏ dẫn điện lớn hơn với bán kính R. Hai vỏ có điện tích tơng ứng bằng q và Q. Nếu ta nối hai vỏ bằng một dây dẫn thì các vỏ tạo thành một vật dẫn cô lập duy nhất. Khi đó điện tích q chuyển hoàn toàn ra mặt ngoài của vỏ lớn bất kể ở đó đã có điện tích Q đến đâu. Mọi sự chuyển điện tích nh vậy đều làm tăng điện thế của các vỏ. Các vỏ này có cùng điện thế vì chúng đợc nối với nhau bằng dây dẫn. -Trong thực tế điện tích đợc mang vào lớp vỏ trong nhờ một đai truyền tích điện chuyển động nhanh (hình vẽ). Điện tích đợc phun vào đai truyền bên ngoài máy nhờ một cái lợc bàn chải của các điểm điện hoa và đợc lấy ra khỏi đai ở bên trong theo cùng một cách. Vì điện tích bị cuốn đi từ bàn chải ở ngoài bởi đai chuyển động, điện thế của điện tích này tăng lên. Động cơ kéo đai cung cấp năng lợng cho sự tăng thế của điện tích ở trên đai và do đó cho các điện tích của các vỏ ở trong máy. Với một máy gia tốc cho trớc, thế cực đại đạt đợc khi tốc 8 | P a g e độ điện tích đợc đa vào vỏ bằng tốc độ điện tích rời khỏi vỏ ngoài do sự dò dọc theo các giá đỡ và bởi sự phóng điện hoa. -Vì điện trờng bên trong một vật dẫn rỗng bằng 0 nên một vật dẫn khác nằm trong vật rỗng sẽ không bị ảnh hởng bởi điện trờng bên ngoài. Nh vậy, vật dẫn rỗng có tác dụng nh một màn bảo vệ cho các vật dẫn khác đặt ở bên trong nó khỏi bị ảnh hởng của điện trờng bên ngoài. Vì thế, vật dẫn rỗng đợc gọi là màn chắn tĩnh điện. Trong thực tế, những lới kim loại dày cũng có thể coi là màn chắn tĩnh điện. Để tránh khỏi tác dụng nhiễu điện của điện trờng ngoài các dụng cụ đo điện chính xác, một số đèn điện tử, dây tín hiệu điện thờng đợc bảo vệ bởi các vỏ hoặc lới kim loại đã đợc nối đất. Hình 4: Màn chắn tĩnh điện c. Lý thuyết và thực nghiệm đã chứng tỏ sự phân bố điện tích trên mặt vật dẫn chỉ phụ thuộc vào hình dạng của mặt đó. Vì lý do đối xứng trên những vật dẫn có dạng mặt cầu, mặt phẳng vô hạn, mặt trụ dài vô hạn điện tích đợc phân bố đều. Đối với nhữnh vật dẫn có hình dạng bất kì sự phân bố điện tích trên mặt vật dẫn không đều. 9 | P a g e Hình 5: Sự phân bố điện tích trên vật dẫn -Qua hình vẽ ta thấy rằng: ở những chỗ lõm điện tích hầu nh bằng 0, ở những lồi hơn điện tích đợc phân bố nhiều hơn, đặc biệt điện tích đợc tập trung ở những chỗ có mũi nhọn. Tại các mũi nhọn điện tích tập trung chủ yếu nên điện trờng tại các mũi nhọn rất mạnh làm cho không khí ởt sát mũi nhọn bị ion hóa và xuất hiện ion dơng, ion âm và e. Lúc này, mũi nhọn hút các điện tích trái dấu và đẩy các điện tích cùng dấu và xuất hiện một luồng gió gọi là gió điện làm cho điện thế trên các vật dẫn giảm đi. Hiện tợng mũi nhọn bị mất dần điện tích và tạo thành gió điện đợc gọi là hiệu ứng mũi nhọn. -Trong một số máy tĩnh điện làm việc dới điện thế cao, để tránh mất mát điện do hiệu ứng mũi nhọn sinh ra ngời ta thờng làm một số bộ phận kim loại của máy không ở dạng mũi nhọn mà dới dạng mặt có bán kính cong hoặc mặt cầu Ngợc lại, trong nhiều trờng hợp ngời ta sử dụng hiệu ứng mũi nhọn để phóng 10 | P a g e + . cứu Đề tài: Vật dẫn trong điện trờng và ứng dụng đợc nghiên cứu trong phần tĩnh điện học 6. Phơng pháp nghiên cứu: + Đọc, tra cứu, và nghiên cứu tài liệu. . những lí do nh trên mà em chọn đề tài: Vật dẫn trong điện trờng và ứng dụng để làm khóa luận tốt nghiệp của mình. Trong đề tài này em tiến hành khảo sát tính