Mô hình phân tử của điện tích cảm ứng

có điện tích tự do chuyển động. Khi có trường ngoài, các điện tích tái phân bố trên mặt để trường trong vật liệu dẫn bằng không ở cân bằng. lý tưởng không có điện tích tự do chạy xuyên vật liệu. Vậy điện tích mặt cảm ứng xuất hiện bằng cách nào?

Phân tử có lưỡng cực thường trực

Một số phân tử như H₂O, N₂O chứa tổng lượng điện tích dương và âm bằng nhau nhưng phân bố không đối xứng. Một phía có phần dương trội, phía kia có phần âm trội. Chúng là phân tử , có .

Trong chất khí hoặc chất lỏng không có trường, các lưỡng cực định hướng ngẫu nhiên. tác dụng mômen lực lên lưỡng cực, làm chúng có xu hướng hướng mômen cùng chiều trường. Chuyển động nhiệt cản sự sắp thẳng hàng hoàn toàn.

Hình 24.17: Phân tử phân cực định hướng ngẫu nhiên khi không có trường và có xu hướng sắp theo trường khi có trường

Chú thích:

• Khi không có điện trường, các phân tử phân cực định hướng ngẫu nhiên. (In the absence of an electric field, polar molecules orient randomly.)
• Khi đặt điện trường, các phân tử có xu hướng định hướng theo điện trường. (When an electric field is applied, the molecules tend to align with it.)

Phân tử không có lưỡng cực thường trực

Phân tử vốn không cũng có thể thành lưỡng cực khi đặt trong trường. Phần điện tích dương bị đẩy theo trường, phần âm bị đẩy ngược trường. Hai phân bố lệch nhau một chút, tạo lưỡng cực cảm ứng.

Hình 24.18: Trường làm phân bố dương và âm trong phân tử không phân cực lệch nhau

Chú thích:

• Khi không có điện trường, phân tử không phân cực không phải là lưỡng cực điện. (In the absence of an electric field, nonpolar molecules are not electric dipoles.)
• Điện trường làm điện tích dương và âm trong phân tử lệch nhẹ khỏi nhau, khiến phân tử có tính phân cực. (An electric field causes the molecules’ positive and negative charges to separate slightly, making the molecule effectively polar.)

Ở cả hai trường hợp, sự tái phân bố tạo phần điện tích trội trên hai mặt ngoài của . Các phần dương, âm của những phân tử bên trong bù nhau trong mô hình đồng đều, còn ở mặt ngoài xuất hiện các mật độ ±σᵢ.

Hình 24.19: Các lưỡng cực tạo điện tích liên kết trên hai mặt điện môi

Kích thước phân tử được phóng đại để nhìn rõ sự . Các điện tích không thể chạy mãi như trong vì chúng gắn với phân tử. Vì vậy gọi chúng là điện tích liên kết, phân biệt với điện tích tự do được thêm vào hoặc lấy khỏi bản dẫn. Trong đồng đều được xét, tổng điện tích trên mỗi đơn vị thể tích trong lòng vẫn bằng không. Vật liệu đã bị phân cực, không phải được nạp thêm một tổng điện tích.

Trường của điện tích liên kết

Hình 24.20 theo dõi bốn bước. (a) Hai bản tạo trường ban đầu E₀. (b) Tấm vừa đưa vào trước khi điện tích kịp tái phân bố. (c) Điện tích mặt cảm ứng tạo trường riêng ngược E₀. (d) Trường tổng nhỏ hơn E₀.

Hình 24.20: Trường ban đầu, tấm vừa đặt vào, trường cảm ứng và trường tổng sau phân cực

Chú thích:

• (a) Chưa có điện môi ((a) No dielectric)
• (b) Điện môi vừa được đưa vào ((b) Dielectric just inserted)
• (c) Điện tích cảm ứng tạo ra điện trường ((c) Induced charges create electric field)
• (d) Điện trường tổng hợp ((d) Resultant field)
• Điện trường ban đầu (Original electric field)
• Điện trường yếu hơn trong điện môi do điện tích cảm ứng (liên kết) (Weaker field in dielectric due to induced (bound) charges)

Trường cảm ứng chưa đủ bù hoàn toàn trường ban đầu vì điện tích liên kết không di chuyển vô hạn. Theo cách vẽ đường sức, một phần đường từ bản dương đi xuyên , phần còn lại kết thúc ở điện tích âm cảm ứng trên mặt gần bản dương.

Vì sao vật trung hòa vẫn bị hút?

Một cầu trung hòa B ở trong trường xuyên tâm của vật dương A bị . Phía gần A có điện tích âm cảm ứng, phía xa có điện tích dương cảm ứng. Điện tích âm chịu lực hút, phần dương chịu lực đẩy. Trường không đều và mạnh hơn ở phía gần, nên lực hút lớn hơn lực đẩy. Hợp lực kéo B về A dù tổng điện tích B bằng không.

Hình 24.21: Phần điện tích cảm ứng gần nguồn chịu lực mạnh hơn phần ở xa

Đổi A thành nguồn âm vẫn cho lực hút, vì dấu điện tích cảm ứng ở hai phía B đổi theo. Cơ chế ấy giải thích thanh nhựa nhiễm điện hút mẩu giấy hoặc quả cầu nhỏ. trung hòa cũng bị hút trong trường không đều nhờ tái phân bố điện tích. Không dùng lập luận khoảng cách này để suy lực hút tổng trong trường đều.

Ứng dụng: Tụ thu nhỏ trong điện thoại

Một cấu hình điện thoại điển hình dùng nhiều trăm tụ nhỏ chứa gốm để tăng . Các tụ tham gia những bộ phận như bộ xử lý, bộ nhớ động, nút nguồn và âm lượng, micro, màn hình cảm ứng. Hình minh họa cho thấy những linh kiện nhỏ trên mạch, còn số lượng thực tế phụ thuộc cấu hình thiết bị.

Các tụ gốm nhỏ tham gia nhiều bộ phận của mạch điện thoại

Bài tập: Câu hỏi ôn lại mục 24.5

Tụ phẳng giữ điện tích ±Q, được lấp bằng K = 3. Xếp độ lớn theo thứ tự giảm dần: (i) Trường trước khi thêm điện môi, (ii) trường tổng sau khi thêm, (iii) trường do điện tích liên kết.

Lời giải: Giải thích

Trường tổng E = E₀/3. Trường liên kết ngược E₀, có độ lớn Eᵢ = E₀ − E = 2E₀/3. Vì vậy thứ tự là (i), (iii), (ii). Cần phân biệt vector ngược chiều với độ lớn dương đang được xếp.

Tài liệu tham khảo

Young & Freedman, University Physics with Modern Physics, ấn bản 15, mục 24.5, trang 799–800.