Bài giảng chương II Vật dẫn môn Vật lý đại cương 2 | Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY (HUST) Viện Vật lý Kỹ thuật CHƯƠN Sch G ool ofI I Engineering Physics (SEP) VẬT DẪN
1. Vật dẫn cân bằng tĩnh điện
2. Điện hưởng và tụ điện
3. Năng lượng điện trường 1 1
1. Vật dẫn cân bằng tĩnh điện 1. Định nghĩa
a)Vật dẫn (vật liệu dẫn điện)
Vật liệu có sẵn các điện tích tự do mà có thể trên dễ toàn dàng bộ bề di mặtchuyển khi bị từ nguyên nhiễm điện. tử Vật dẫn
(phân tử) này tới nguyên tử (phân tử) khác
quá trình tái phân bố điện tích
Ví dụ: Kim loại, than chì, các dung dịch muối, nước, cơ thể sống…
b) Chất bán dẫn (vật liệu bán dẫn)
Vật liệu mà các điện tích tự do định xứ tại những vùng nhất định có
thể tự do di chuyển khi chịu các tác động từ bên ngoài (ánh sáng, nhiệt độ…).
Ví dụ: Si-líc, Germanium… 2 2 30-Oct-19
1. Vật dẫn cân bằng tĩnh điện
c) Phân loại vật liệu theo độ dẫn (khả năng dẫn điện) Độ dẫn Chất điện môi Chất bán dẫn Vật dẫn Gỗ Thủy tinh Cao su Kh/khí khô Ger-ma-ni Sắt Thủy ngân Than chì Nước Bạc Đồng Nhôm Si-líc d) Vật dẫn kim loại
Điện tích tự do chính là các điện tử (electron) hóa trị do liên
kết yếu với hạt nhân nguyên tử mà dễ dàng bị bứt khỏi nguyên tử
và trở thành điện tử tự do.
Vật dẫn cân bằng tĩnh điện: vật có các điện tích tự do đứng yên. 3 3
1. Vật dẫn cân bằng tĩnh điện
2. Điều kiện vật dẫn cân bằng tĩnh điện
Không có quá trình dịch chuyển điện tích và vector
cường độ điện trường bên trong vật dẫn (khối hoặc rỗng): E = 0 trong S
Tại điểm trên bề mặt vật dẫn Et= 0 En = E = ee0
Đường sức điện trường vuông góc với bề mặt vật dẫn tại điểm 4 4 30-Oct-19
1. Vật dẫn cân bằng tĩnh điện
3. Tính chất của vật dẫn cân bằng tĩnh điện
Vật dẫn là vật đẳng thế E = E Bên trong vật dẫn, E= 0: n
Hiệu điện thế giữa M & N, N N = - = M0 E V V EdS trong M N òM do E= 0 VM- VN= 0 VM= VN=VA=VB Bên ngoài vật dẫn E = E n
E mặt đẳng thế tại mọi điểm 5 5
1. Vật dẫn cân bằng tĩnh điện
3. Tính chất của vật dẫn cân bằng tĩnh điện (tiếp)
Điện tích chỉ phân bố trên bề mặt Mặt Gauss
Bên trong vật dẫn, áp dụng định lý Gauss ee q = 0 0 ò= E do dS E = 0 qi i i i
Điện tích tập trung trên bề mặt vật dẫn
Phân bố điện tích phụ thuộc hình dạng bề mặt
Điện tích tập trung chủ yếu tại các bề mặt hoặc mũi nhọn Không có điện tích ở bề mặt lõm hoặc hốc 6 6 30-Oct-19
1. Vật dẫn cân bằng tĩnh điện
4. Ứng dụng vật dẫn cân bằng tĩnh điện trong kỹ thuật (Đọc thêm VLDC 3)
Máy phát tĩnh điện Van de Graaff trên n u o ất ưới 7 7
2. Điện hưởng và tụ điện
1. Hiện tượng điện hưởng
Quả cầu B (trung hòa điện) đặt gần
quả cầu A tích điện (đ/trường E ) 0
Lực hút tĩnh điện các điện tử
(electron) dịch chuyển ngược chiều
E0về phía bề mặt gần A tích điện 0
(-), phía đối diện tích điện (+).
Quá trình dịch chuyển các điện tích hình thành E ' chấm dứt Điện tích cảm ứng khi khử E ' E0 E = 0 trong
Quá trình phân bố lại các điện
tích tự do trong vật dẫn dưới tác
dụng của điện trường ngoài hiện
tượng cảm ứng điện tĩnh = điện hưởng. 8 8 30-Oct-19
2. Điện hưởng và tụ điện
1. Hiện tượng điện hưởng (tiếp) Thời gian của quá trình tái phân bố điện E = 0 tích ~ 10-16 s coi như tức thời. 9 9
2. Điện hưởng và tụ điện
1. Hiện tượng điện hưởng (tiếp) Điện hưởng một phần
Chỉ một phần đường sức của
A đi qua B con một phần đi ra vô q cùng. 0 q’
Điện tích cảm ứng có độ lớn Điện tích
nhỏ hơn độ lớn điện tích trên vật cảm ứng
mang điện.çq’ç<ç çq 10 10 30-Oct-19
2. Điện hưởng và tụ điện
1. Hiện tượng điện hưởng (tiếp) Điện hưởng toàn phần
Vật dẫn B bao kín vật mang điện A tất cả q’
đường sức của A đều tận cùng trên vật dẫn B.
Điện tích cảm ứng có độ lớn bằng độ lớn
điện tích trên vật mang điện. çq'ç=çqçq
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
Điện hưởng và hiện tượng sấm, chớp, sét đánh. 11 11
2. Điện hưởng và tụ điện
1. Hiện tượng điện hưởng (tiếp) Màn chắn tĩnh điện
Vật dẫn cân bằng tĩnh điện
rỗng đặt trong trường ngoài tái
phân bố điện tích Etrong = 0 . Lồng Faraday 12 12 30-Oct-19
2. Điện hưởng và tụ điện
Ứng dụng màn chắn tĩnh điện
Màn chắn tĩnh điện (lồng Faraday) bảo vệ chip vi xử lý của máy tính 13 13
2. Điện hưởng và tụ điện
2. Điện dung vật dẫn cô lập
Ở trạng thái cân bằng tĩnh điện vật dẫn là vật đẳng thế với điện
thế V V tỉ lệ với điện tích của vật, tức là: V = k.Q 1 Q Q = C.V = = const = C k V R O
Điện dung C của một vật dẫn cô lập: đại
lượng vật lý có giá trị bằng trị số điện tích mà
vật dẫn tích được khi điện thế của nó bằng một 1 Q đơn vị điện thế. Vr 1 Q 4pee 4pee R 0
Cđặc trưng cho khả năng tích điện của vật dẫn 0 1 C
Đơn vị điện dung: Fara (F), theo đó: 1 F = 1 V O R
Với quả cầu tích điện đặt trong chân không, có: Q C0= = 4pe R V Nếu = C =9 1 . F 0 ( ) C 1 9 R= - m 4 pe . 4 1 , 3 . 4 8 , 8 6 1 . 0 12 0
trong kỹ thuật điện và điện tử thường sử dụng các đơn vị có bậc nhỏ: 1
F= 10-6 F; 1 nF = 10-9 Fhay 1 pF = 10-12 F 14 14 30-Oct-19
2. Điện hưởng và tụ điện 3. Tụ điện
Hệ 2 vật dẫn cô lập ở điều kiện
hưởng ứng điện toàn phần
Mỗi vật dẫn là một bản cực của tụ
điện, có điện tích +Q và –Q (ở trên bề
mặt) , điện thế +V và –V.
Hiệu điện thế giữa 2 bản cực: V1– V2= U 4. Điện dung tụ điện Q Q Điện dung C của tụ: C== V - V U 1 2
Fara là điện dung của một tụ điện khi có điện lượng 1 Coulomb
thì hiệu điện thế giữa 2 bản cực bằng 1 volt 15 15
2. Điện hưởng và tụ điện
4. Điện dung tụ điện (tiếp) S Tụ điện phẳng S
Hệ 2 vật dẫn là 2 bản kim loại phẳng, U
diện tích S, điện tích Q, -Q và điện thế
V1, V2, cách nhau 1 khoảng d (rất nhỏ).
Điện trường E giữa 2 bản cực coi
như gây bởi 2 mặt phẳng song song vô
hạn mang điện với mật độ điện mặt là điện trường đều. Điện dung C của tụ: Q C== UQ Điện trường V - V 1 2 Q e S e đều Q C = 0 = Với: U = E.d và E e e= = U d e e S 0 0
Muốn tăng C -Tăng S nhược điểm: kích thước lớn
- Giảm d nhược điểm: Utăng phóng điện đánh thủng 16 16 30-Oct-19
2. Điện hưởng và tụ điện
4. Điện dung tụ điện (tiếp) Tụ điện phẳng
Điện tử di chuyển từ bản Điện tử di chuyển từ
Không có điện tích cực ra dây dẫn để lại điện dây dẫn đến bản cực trên 2 bản cực.
tích dương trên bản cực và định xứ ở đó.
còn lại (hiệu ứng điện hưởng). Mạch hở Mạch kín Điện trường giữa 2 bản cực.
Điện trường trên dây dẫn Điệtnr t ê r nư ờ d n â g y dẫn Nguồn điện
Quá trình điện tích được tạo ra trên các bản cực của tụ phẳng 17 khi có trường ngoài 17
2. Điện hưởng và tụ điện
4. Điện dung tụ điện (tiếp) Tụ điện phẳng V1
Tổ hợp tụ ghép song song: Các Uab = U
bản cực (+) nối chung với acó điện
thế V1, các bản cực (-) nối chung V2
với bcó điện thế V2 các tụ có
chung 1 hiệu điện thế U=V1– V2.
Tụ 1 có điện dung C1, điện tích trên U
mỗi bản cực là Q1và –Q1, tụ 2 có điện
dung C2, điện tích trên mỗi bản cực là Q2và –Q2.
Điện tích hệ tụ: Qhệ = Q1+ Q2 = Điện = dung = hệ + tụ: Q Q Q C = hê + C hê eq C 1 C 2 1 Uhê U U = n = + + + = C C C C Hệ n tụ: C hê C eq 1 ... 2 n i i =1 18 18 30-Oct-19
2. Điện hưởng và tụ điện
4. Điện dung tụ điện (tiếp) Tụ điện phẳng Uac = U1
Tổ hợp tụ ghép nối tiếp: bản cực
(+) của tụ này nối với bản cực (-) của Uab = U tụ kế tiếp.
Do hiện tượng điện hưởng điện Ucb = U2
tích trên mỗi bản cực của mỗi tụ bằng nhau: Q1= Q2= Qhệ
Hiệu điện thế ở 2 đầu hệ tụ: =U hê + U 1 U 2 Điện dung hệ tụ: 1 1 U 1 U1 1+ U2 = = hê += Uab = U Q Q C C C C hê hê hê eq 1 2 Hệ n tụ: 1 = 1 + 1 + + = ... C 1 C C C hê C n 19 1 2 = ii 19
2. Điện hưởng và tụ điện
4. Điện dung tụ điện (tiếp) Tụ điện cầu R2
Hệ 2 bản mặt cầu kim loại đồng tâm, bán R kính R 1
1và R2(R1< R2), điện tích Q, -Q và điện thế V1, V2.
Hiệu điện thế giữa 2 bản cực tụ: = - = Q æ 1 - 1 ö ( Q ) R - R 2 1 U V V = çç ÷÷ 1 4 2 4 Rp R e e è R R ø pe e 0 1 2 0 1 2 R2 R1 Điện dung C của tụ: Q 4pe e 0 1 R 2 R C-= = U ( )2 R 1 R 20 20 30-Oct-19
2. Điện hưởng và tụ điện
4. Điện dung tụ điện (tiếp) Tụ điện trụ R2 R1
Hệ 2 mặt trụ kim loại đồng trục, bán kính
R1và R2(R1< R2), độ cao l(l>> R1và R2),
điện tích Q, -Q và điện thế V1, V2.
Hiệu điện thế giữa 2 bản cực tụ: Q R2 U pe e = V - V = ln 1 2 2R l R2 0 1 Điện dung C của tụ: R1 +Q -Q Q 2pe l e 0 C = = U R2 ln R1 21 21
2. Điện hưởng và tụ điện
Ứng dụng tụ điện trong kỹ thuật
Công nghệ điện/điện tử Lưu trữ điện năng cho các thiết bị điện. Công cụ chỉnh lưu dòng điện Mạch lọc nhiễu và xử lý tín hiệu
Mạch cộng hưởng cho các thiết bị vô tuyến 22 22 30-Oct-19
2. Điện hưởng và tụ điện
Ứng dụng tụ điện trong kỹ thuật Công nghệ vi điện tử
Cấu trúc tụ vi điện tử CMOS Cấu trúc cơ sở I-ôn (+) cố định Vùng nghèo điện tích + I-ôn (-) cố định
Bán dẫn loại p (hạt dẫn điện chính
là lỗ trống – điện tích +) Tăng trường ngoài Điện tử tự do Lớp điện tích đảo Điện tử dẫn Vùng nghèo điện tích + 23 23
2. Điện hưởng và tụ điện
Ứng dụng tụ điện trong kỹ thuật
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (Random Access Memory – RAM)
Mạch tổ hợp chứa hàng triệu tế bào nhớ (memory cell) tên gọi khác: Chip nhớ (memory chip).
Memory cell: chứa 1 transitor và 1 tụ điện
CMOS 1 bit đơn dữ liệu (single bit of data).
Tụ điện: Lưu trữ bit thông tin dưới dạng số
(digital) nhị phân (0 và 1).
Transistor: dụng cụ chuyển mạch (đóng, mở)
để mạch điểu khiển trên chip nhớ đọc thông tin
từ tụ hoặc thay đổi trạng thái của tụ.
Nguyên lý hoạt động: Để lưu trữ bit 1 trong
một tế bào nhớ, tụ được nạp đầy điện tích. Để lưu
trữ bit 0, điện tích được phóng đi. Quá trình
phóng nạp diễn ra liên tục bộ điều khiển nhớ
sẽ đọc và ghi lại với tần suất hàng nghìn lần/giây. 24 24 30-Oct-19
2. Điện hưởng và tụ điện
Ứng dụng tụ điện trong kỹ thuật
Vi cảm biến (microsensors) ứng dụng trong công nghiệp ô tô và y sinh Vi cảm biến đo áp suất Vi cảm biến đo gia tốc Điện cực 1 Cấu trúc lò xo Khối gia trọng dao động Gối đỡ cố định (anchor) Điện cực 2 25 25
2. Điện hưởng và tụ điện
Ứng dụng tụ điện trong kỹ thuật
Vi cảm biến (microsensors) ứng dụng trong công nghiệp ô tô và y sinh Đồng hồ hiển thị áp Cảm biến áp suất Bộ xử lý tín hiệu suất lốp (cảnh báo lốp trước (bên trung tâm Cảm biến áp suất phải)
bằng đèn LED)Bộ thu nhận tín hiệu không dây Bộ xử lý và ĐK Bộ thu tín hiệu Đồng hồ Cảm biến áp hiển thị suất lốp trước (bên trái) Cảm biến áp suất lốp sau Cảm biến áp Cảm biến áp suất (bên trái) suất lốp sau Cảm biến áp suất (bên phải) lốp dự phòng 26 26 30-Oct-19
2. Điện hưởng và tụ điện
Ứng dụng tụ điện trong kỹ thuật
Vi cảm biến (microsensors) ứng dụng trong công nghiệp ô tô và y sinh
Cảm biến gia tốc điều khiển
hệ túi khí an toàn phía trước
Cảm biến gia tốc điều Đầu phun si-líc ở hệ khiển hệ túi khí an phun nhiên liệu toàn cửa bên Cảm biến âm Cảm biến Cảm biến đo áp thanh để giảm quang đo mức lực nhiên liệu tiếng ồn nhiên liệu Cảm biến RF Cảm biến nhiệt cảnh báo va điều khiển hệ chạm thống điều hòa không khí Cảm biến Cảm biến vận tốc khí cho hệ góc để định vị thống ống Cảm biến áp xả Cảm biến RF suất cho hệ cảnh báo va chạm khí động học Cảm biến gia tốc Cảm biến áp suất Cảm biến áp điều khiển hệ và vận tốc góc suất thông tin thống giảm sóc điều khiển phanh áp suất lốp xe 27 27
2. Điện hưởng và tụ điện
Ứng dụng tụ điện trong kỹ thuật
Vi chấp hành (microactuators) ứng dụng trong thiết bị điện
Hệ vi gương số (Digital Micromiror Device – DMD) 28 28 30-Oct-19
2. Điện hưởng và tụ điện
Ứng dụng tụ điện trong kỹ thuật
Vi chấp hành (microactuators) ứng dụng trong kỹ thuật robot
Hệ vi vận tải (MicroTransport System– MTS) Xe vận tải Cơ cấu Răng cóc Điện cực răng lược 29 29
3. Năng lượng điện trường
1. Năng lượng tương tác của một hệ điện tích điểm Hệ 2 điện tích điểm
Thế năng của q2trong trường gây bởi q1: q2 1 q q W = 1 2 p 4 ee0 r q1 1 æ q ö 1 æ q ö = q 2 1 + 1 çç ÷÷ q2çç ÷÷ 2 è p 4 ee r 2 4 0 ø è pee r 0 ø V1V2 = W + V q 1qV 1
Năng lượng hệ 2 điện tích điểm: 1 1 2 2 2 2 30 30 30-Oct-19
3. Năng lượng điện trường
1. Năng lượng tương tác của một hệ điện tích điểm Hệ 3 điện tích điểm + 1 æ+ ö 1 q q2 q2q3 q3 1 q W= W+ W + W = 12 23 31 çç ÷÷ r12 4pee0 è 1r2 2 r 3 r31 ø r31 æ é ö ù éæ 1 é 1 q æ+ q ù ö 1 é 1 q æ+ q ù ö 2 3 3 1 = q ê ú+ q ê ú + 1 çç ÷÷ 2 çç ÷÷ r23 2 4pee r r 2 4pee r r ë 0 è 21 31 û ø ë 0 è 32 12 û ø 1 é 1 q æ+ q ù ö 1 2 + q3ê ú 2 4 çç pee r r ÷÷ ë 0 è 13 23 û ø ù 1 ú= ( )qV+ q V + qV 1 1 2 2 3 3 2 û 31 31
3. Năng lượng điện trường
1. Năng lượng tương tác của một hệ điện tích điểm (tiếp) = 1
Năng lượng hệ nđiện tích điểm: n W i q i V 2 i=1
2. Năng lượng của một vật dẫn tích điện cô lập 1 1 1 1 Năng lượng vật dẫn: W= Vdq ò 2 = V dq= VQ = CV ò 2 2 2 2 = 1= 1 Q2 vì Q = C.V W CV 2 2 2 C
3. Năng lượng điện của một hệ vật dẫn tích điện
Hệ vật dẫn có điện tích Q1, Q2,…, Qnvà điện thế V1, V2,…, Vn n 1
Năng lượng hệ vật dẫn: W= i i V Q i =12 32 32 30-Oct-19
3. Năng lượng điện trường
4. Năng lượng điện trường Tụ điện phẳng
Năng lượng điện của hệ 2 bản cực (vật dẫn): E = 1 + æ- 1 ö 1 W QV ç QV =÷ ( Q ) 1 1 2 V- V = QU = CU 1 2 1 2 2 2 2 2 2 è ø
Năng lượng điện trường giữa 2 bản cực: W=12CU2=1 æ ö ç ee0E2 ÷S.d è2 ø
Với: S.d = thể tích không gian giữa 2 bản tụ
Năng lượng điện trường chứa trong một đơn vị thể tích của không
gian điện trường (mật độ NL điện trường): w = Eee 1E 1 1 2 hay: w = E.ee E = ED 0 2 E 2 0 2 33 33
3. Năng lượng điện trường
4. Năng lượng điện trường (tiếp) Điện trường bất kỳ
Chia nhỏ không gian có điện trường thành vô số các phần tử thể
tích dV vô cùng nhỏ sao cho điện trường E trong dV được coi là đều.
Năng lượng điện trường trong một thể tích dV: 1 dW .= . d w V = D E dV 2
Năng lượng điện trường trong cả thể tích không gian điện trường: 1 = W . òd = W ò D E dV 2 V 34 34