Vật dẫn là vật có các hạt mang điện tự do. Các hạt mang điện này có thể chuyển động khắp mọi điểm trong toàn bộ vật dẫn
Nguyên tử kim loại luôn có các electron ở lớp ngoài cùng, liên kết yếu với hạt nhân nên dễ dàng thoát khỏi nguyên tử và trở thành electron tự do. Các electron tự do này có thể chuyển động len lỏi khắp nơi trong mạng tinh thể kim loại. Do đó, kim loại là một vật dẫn điển hình. Trong phạm vi hẹp, khi nói đến vật dẫn, ta hiểu muốn nói đến các vật bằng kim loại.
Khi tích điện cho vật dẫn hoặc đặt vật dẫn trong điện trường tĩnh, các điện tích sẽ dịch chuyển trong vật dẫn và nhanh chóng đạt đến trạng thái ổn định, không chuyển động có hướng nữa – ta nói vật dẫn đang ở trạng thái cân bằng tĩnh điện.
2. Tính chất của vật dẫn cân bằng tĩnh điện
a] Trong lòng vật dẫn không có điện trường: \[ {{\overrightarrow{E}}_{trong}}=0 \].
Thật vậy, khi đạt trạng thái cân bằng tĩnh điện, các điện tích tự do trong vật dẫn không chuyển động có hướng nữa, muốn vậy, lực điện trường phải bằng không. Mà \[ \overrightarrow{F}=q\overrightarrow{E}=\overrightarrow{0} \], suy ra \[ \overrightarrow{E}=\overrightarrow{0} \].
Tính chất này được ứng dụng để làm màn chắn tĩnh điện [hộp hoặc lưới kim loại] để bảo vệ thiết bị khỏi bị tác dụng của điện trường ngoài.
b] Mặt ngoài của vật dẫn, vectơ cường độ điện trường luôn vuông góc với bề mặt vật dẫn.
Thật vậy, tại mọi điểm, ta luôn có: \[ \overrightarrow{E}={{\overrightarrow{E}}_{t}}+{{\overrightarrow{E}}_{n}} \]. Nếu \[ \overrightarrow{E} \] không vuông góc với mặt ngoài vật dẫn thì thành phần tiếp tuyến \[ {{\overrightarrow{E}}_{t}}\ne \overrightarrow{0} \]. Khi đó điện tích tự do trên mặt vật dẫn sẽ chịu tác dụng của lực tiếp tuyến \[ {{\overrightarrow{F}}_{t}}=q{{\overrightarrow{E}}_{t}} \] khiến nó di chuyển có hướng trên mặt vật dẫn. Điều này là vô lý, vì vật dẫn đang ở trạng thái cân bằng tĩnh điện. Vậy thành phần tiếp tuyến \[{{\overrightarrow{E}}_{t}}\] triệt tiêu, suy ra vectơ \[\overrightarrow{E}\] phải vuông góc bề mặt vật dẫn.
Để tính cường độ điện trường tại điểm M sát mặt ngoài vật dẫn, ta xét một mặt kín [S] là mặt trụ có đường sinh vuông góc với mặt vật dẫn, có đáy trên \[ \Delta S \] đủ nhỏ đi qua điểmb M và có đáy dưới bên trong vật dẫn [hình 2.1].
Vì bên trong vật dẫn không có điện trường và bên ngoài vật dẫn thì \[ \overrightarrow{E} \] vuông góc với mặt vật dẫn nên điện thông gởi qua [S] chính là điện thông gởi qua \[ \Delta S \].
Ta có: \[ {{\Phi }_{E}}=\oint\limits_{[S]}{\overrightarrow{E}.d\overrightarrow{S}}=\int\limits_{\Delta S}{\overrightarrow{E}.d\overrightarrow{S}}=\int\limits_{\Delta S}{E.dS}=E.\Delta E \]
Mà tổng điện tích chứa trong mặt [S] là: \[ Q=\sigma .\Delta S \].
Theo định lí Gauss: \[ {{\Phi }_{E}}=\frac{Q}{{{\varepsilon }_{0}}} \]
Từ đó suy ra: \[ E=\frac{\sigma }{{{\varepsilon }_{0}}} \] [2.1]
c] Toàn vật dẫn là một khối đẳng thế.
Thật vậy, xét hai điểm bất kì trong vật dẫn, ta luôn có:
\[ {{V}_{1}}-{{V}_{2}}=\int\limits_{[1]}^{[2]}{\overrightarrow{E}d\overrightarrow{\ell }}=\int\limits_{[1]}^{[2]}{0.d\overrightarrow{\ell }}=0 \]
Vậy \[ {{V}_{1}}={{V}_{2}} \].
d] Nếu vật dẫn tích điện thì điện tích không phân bố trong lòng mà phân bố ở mặt ngoài của vật dẫn, tập trung tại các mũi nhọn.
Thật vậy, tưởng tượng có một mặt [S] bất kỳ trong lòng vật dẫn, theo định lí O – G, ta có: \[ \oint\limits_{[S]}{\overrightarrow{D}d\overrightarrow{S}}=\sum{{{q}_{trong\text{ }[S]}}} \]. Mà E = 0 nên D = 0. Do đó, \[ \sum{{{q}_{trong\text{ }[S]}}}=0 \]. Điều này luôn đúng với mọi mặt kín [S] nằm trong lòng vật dẫn. Muốn vậy, trong lòng vật dẫn phải không tích điện.
Vậy khi tích điện cho vật dẫn thì điện tích chỉ phân bố một lớp rất mỏng trên mặt ngoài của vật dẫn [bề dày cỡ vài nguyên tử].
Từ các tính chất trên suy ra, một vật dẫn rỗng ở trạng thái cân bằng tĩnh điện thì ở phần rõng và thành trong của vật dẫn rỗng cũng không có điện trường và điện tích. Nếu ta cho quả cầu kim loại đã tích điện chạm vào thành trong của một vật dẫn rõng thì điện tích của quả cầu kim loại sẽ truyền hết ra mặt ngoài của vật dẫn rỗng. Kết quả này được dùng làm nguyên tắc tích điện cho một vật và do đó nâng điện thế của vật lên rất cao.
3. Hiệu ứng mũi nhọn
Khi vật dẫn tích điện, điện tích sẽ pbo ở mặt ngoài vật dẫn và tập trung tại các mũi nhọn. Vì thế, lân cận các mũi nhọn, điện trường rất mạnh. Dưới tác dụng của điện trường này, một số ion và electron có sẵn trong khí quyển sẽ chuyển động và mau chóng thu được động năng lớn. Chúng va chạm với các phân tử khí, gây ra hiện tượng ion hóa, sinh ra rất nhiều hạt mang điện. Các hạt mang điện trái dấu với điện tích của mũi nhọn hút vào, và do đó điện tích của mũi nhọn giảm dần. Các hạt mang điện cùng dấu với điện tích của mũi nhọn sẽ bị đẩy ra xa mũi nhọn và chúng kéo theo các phân tử khí chuyển động, tao thành luồng gió điện. Hiện tượng mũi nhọn bị mất dần điện tích và tạo thành gió điện được gọi là hiệu dứng mũi nhọn.
Các thiết bị điện làm việc ở điện thế cao cần hạn chế các chỗ lồi nhọn ra để tránh hiện tượng dò điện do hiệu ứng mũi nhọn. Ngược lại, trong nhiều trường hợp, hiệu ứng mũi nhọn dùng để phóng nhanh các điện tích ra ngoài khí quyển – cột thu lôi là một ứng dụng điển hình của hiệu ứng này.
4. Hiện tượng điện hưởng
Khi đặt một vật dẫn chưa tích điện trong điện trường ngoài, lực điện trường sẽ tác dụng lên các điện tích tự do trong vật dẫn, làm chúng phân bố lại trên bề mặt vật dẫn sao cho điện trường trong lòng vật dẫn luôn triệt tiêu. Kết quả trên bề mặt vật dẫn xuất hiện các điện tích trái dấu gọi là các điện tích cảm ứng.
Hiện tượng xuất hiện các điện tích cảm ứng trên bề mặt vật dẫn khi đặt vật dẫn trong điện trường ngoài được gọi là hiện tượng điện hưởng hay hưởng ứng điện. Phía bề mặt vật dẫn mà tại đó đường sức điện đi tới sẽ xuất hiện các điện tích âm, còn phía kia xuất hiện các điện tích dương [hình 2.5].
Nếu ta thiết kế sao cho vật dẫn B bao bọc hoàn toàn vật mang điện A như hình 2.6 thì mọi đường sức điện trường của A đều đến B, khi đó ta có hiện tượng điện hưởng toàn phần. Trái lại là điện hưỡng một phần. Trong hiện tượng điện hưởng toàn phần, điện tích cảm ứng xuất hiện ở mặt trong của vật dẫn B luôn bằng và trái dầu với điện tích của vật A và điện tích cảm ứng xuất hiện ở mặt ngoài của vật dẫn B luôn bằng và cùng dấu với điện tích của vật A. Để chứng minh điều này ta chọn mặt kín [S] nằm trong phần đặc của vật B và bao kín phần rỗng [hình 2.6], khi đó thông lượng điện cảm gởi qua [S] bằng không, vì trong phần đặc của B không có điện trường.
Theo định lí Gauss suy ra, tổng điện tích chứa trong [S] cũng bằng không. Gọi Q là điện tích của vật A [vật gây ra điện trường], q và q’ là điện tích cảm ứng xuất hiện ở mặt trong và mặt ngoài của vật B thì ta có: \[Q+q=0\] hay \[q=-Q\].
Do lúc dầu vật B không tích điện nên \[ q+q’=0 \] hay \[ q’=-q=Q \].
Vậy trong hiện tượng điện hưởng toàn phần, độ lớn của điện tích cảm ứng luôn bằng với độ lớn của điện tích trên vật mang điện gây ra điện trường.
5. Điện dung của vật dẫn cô lập
Một vật dẫn được gọi là cô lập về điện nếu gần nó không có vật nào khác gây ảnh hưởng đến sự phân bố điện tích trên bề mặt của nó.
Thực nghiệm chứng tỏ rằng, khi điện tích Q của một vật dẫn cô lập tăng lên thì điện thế V của nó cũng tăng theo, nhưng tỉ số \[ \frac{Q}{V} \] là không đổi. Như vậy, tỉ số \[ \frac{Q}{V} \] đặc trưng cho khả năng tích điện của vật dẫn và được gọi là điện dung của vật dẫn cô lập.
Điện dung của vật dẫn cô lập là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của vật dẫn ở một điện thế nhất định, có giá trị bằng điện tích mà vật tích được khi điện thế của nó là một đơn vị điện thế.
\[ C=\frac{Q}{V} \] [2.2]
Điện dung của một dẫn cô lập phụ thuộc vào hình dạng, kích thước của vật dẫn đó. Trong hệ SI, đơn vị đo điện dung là farad [F].
Xét một quả cầu kim loại bán kính R, cô lập về điện. Gọi Q và V là điện tích và điện thế của quả cầu, ta có \[ V=\frac{kQ}{R} \]. Do đó điện dung của quả cầu là \[ C=\frac{Q}{V}=\frac{R}{k} \] [2.3]
Như vậy, nếu C = 1F thì \[ R=k={{9.10}^{9}}m \], lớn hơn bán kính Trái đất cả ngàn lần. Điều này có nghĩa rằng, điện dung 1F là rất lớn, trên thực té không có quả cầu nào có điện dung đạt đến 1F cả.
Vì thế, người ta dùng các ước số của farad:
\[ 1\mu F \] [micro farad] \[ ={{10}^{-6}}F \]
\[ 1nF \] [nano farad] \[ ={{10}^{-9}}F \]
\[ 1pF \] [pico farad] \[ ={{10}^{-12}}F \]