Chất điện môi

1 CHƯƠNG 3 - ĐIỆN MÔI 1. Sự phân cựctrongchất điệnmôi 2. Vector phân cực điệnmôi 3. Điệntrường trong chất điệnmôi 4. Vậtliệu điệnmôiđặcbiệt 2 1. Sự phân cựctrongchất điệnmôi ) Điệntrường của thanh tích điện(+) hút các điệntử và đẩyhạt nhân ⇒ mất phân bốđiệntíchđốixứng. ) Chất điệnmôi: Điệntử liên kếtchặt vớihạt nhân nguyên tử ⇒ phân bốđiện tích đốixứng ⇒ khó tự do di chuyển suốtqua toànbộ thể tích. ) Do điệntrường thanh giảmtheo khoảng cách vớivật ⇒ lựchútsẽ lớn hơnlực đẩy ⇒ vậtbị hút về thanh tích điện. Hiệntượng phân cực điệnmôi ) Phân bốđiện tích bề mặt: điện tích (-) ở phía sát thanh tích điệnvàđiệntích(+) ở phía đốidiện ⇒ Hiệntượng phân cực 3 1. Sự phân cựctrongchất điệnmôi Hiệntượng phân cực điệnmôi ) Điện tích liên kếtcóthể vẫntồn tại ngay cả sau khi 0 0 =E r ) Xuấthiệnphânbốđiện tích liên kết ở mộtsố vùng trên bề mặt ⇒ mật độ điện tích liên kếtmặt σ’. ' 0 EEE r r r += 0 E r 0 ' ≠E r 0≠E r Điệnmôi ) Hình thành điệntrường phụ ' E r ngượcchiều 0 E r ) Vậtdẫntrở lạitrạng thái trung hòa điệnkhi 0 0 =E r ) Xuấthiệnphânbố các điện tích tự do trên toàn bộ bề mặt ⇒ mật độ điệnmặt σ. 0 E r 0=E r Vậtdẫn ⇒ hiệu ứng Màn chắntĩnh điện không thể xuyên qua vậtdẫn E r ) 4 Mô hình phân cực nguyên tử 1. Sự phân cựctrongchất điệnmôi Hiệntượng phân cực điệnmôi ) Nguyên tử bị phân cực điện ⇔ lưỡng cực điện, vớilàvector hướng từ trọng tâm “đám mây điệntử “ đếnhạt nhân nguyên tử. d r + ⎯ dqp e r r = + ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯⎯ ⎯⎯ ) Nguyên tử có điệntử liên kếtchặtvớihạt nhân ⇒ phân bốđiệntíchđối xứng ⇒ trung hòa vềđiện. ) Điệntrường ngoài : Điệntử di chuyểnngượcchiềutrường ngoài ⇒ hình thành một“đám mây” điệntử lệch về mộtphíamàtâmcủa nó không trùng vớihạt nhân nguyên tử ⇒ nguyên tử bị phân cực điện. 0 E r + ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 0 E r ⎯ + -q +q d p e 0 E r 5 1. Sự phân cựctrongchất điệnmôi Hiệntượng phân cực điệnmôi ) Ví dụ: H 2 O, NH 3 , HCL, CH 3 Cl ) Điệntrường ngoài không ảnh hưởng đến độ lớncủa ⇒ phân tử là lưỡng cựccứng. e p r 0= e p r 0 0 =E r khi 0 ≠ e p r 0 0 ≠E r khi và ) ⎯ + -q +q d p e 0 E r 0 ≠ e p r ) Phân tử có phân bốđiện tích không đối xứng ⇒ trọng tâm điện tích (+) và (-) cách nhau một khoảng khi . , nghĩalà: d r 0 0 =E r ⎯ + -q +q d p e Phân tử tự phân cực (phân cựctự phát) Phân tử không tự phân cực (phân cựccảm ứng) ) Phân tử là lưỡng cực đàn hồi Ep e r r αε= ) Có: với α: độ phân cựcphântử, ∈ thể tích phân tử 6 Các dạng phân cực điệnmôi Điệnmôicấutạobởi các phân tử tự phân cực: Phân cực định hướng 1. Sự phân cựctrongchất điệnmôi ) Hình thành lớp điệntíchtạibề mặt điệnmôi⇒ không phảilàđiện tích tự do mà là điệntíchliênkết. ) Khicótrường ngoài ⇒ các quay dầntheophương trường ngoài cho đếnkhitoànbộ các có phương trùng phương trường ngoài ei p r 0≠⇒ ∑ i ei p r ei p r 0 0 ≠E r 0 0 ≠E r 0,0 ≠≠ ∑ i eiei pp r r 0 0 =E r 0,0 =≠ ∑ i eiei pp rr ) Khi không có trường ngoài ⇒ từng phân tử có nhưng mỗi có phương ngẫunhiên 0 ≠ ei p r 0=⇒ ∑ i ei p r ei p r 7 Điệnmôicấutạobởi các phân tử không tự phân cực: Phân cực điệntử ) Khi không có trường ngoài ⇒ từng phân tử có do trọng tâm điện tích (+) và (-) trùng nhau 0 = ei p r 0=⇒ ∑ i ei p r ) Khi có trường ngoài ⇒ các lớpvỏđiệntử củatừng phân tử bị biếndạng ⇒ trọng tâm điện tích (+) và (-) không trùng nhau, nên và đều cùng phương trường ngoài 0 ≠ ei p r 0≠⇒ ∑ i ei p r Các dạng phân cực điệnmôi 1. Sự phân cựctrongchất điệnmôi ) Khối tinh thểđược coi là như mộtphântử khổng lồ có các mạng i-ôn (+) và (-) đan xen nhau. Điệnmôicócấutrúctinhthể: Phân cựci-ôn 8 V d Điệnmôicócấutrúctinhthể: Phân cựci-ôn Cấu trúc tinh thể NaCl + Na + + Cl - d 0≠ ngoài E r 0 ≠ ei p r 1. Sự phân cựctrongchất điệnmôi Các dạng phân cực điệnmôi ) Đốivớicả 3 loại điệnmôi⇒ sự phân cựcbiếnmấtkhibỏđi điệntrường ngoài. 9 2. Vector phân cực điệnmôi Định nghĩa Đạilượng vậtlýđobằng tổng lưỡng cực điệncủacác phân tử có trong một đơnvị thể tích củakhối điệnmôi V p P n i ei e Δ = ∑ =1 r r Enpn V pn P ei ei e r r r r αε== Δ = 000 . Có: EP ee rr χε= 0 Hay: (χ e : Độ cảm điệnmôi) 0≠E r mọi phân tửđềucócùng ei p r khi P e E P bh Điệnmôitự phân cực Điện môi không phân tự cựcvàđiệnmôitinhthể đủ lớn ⇒ e P r đạttrạng thái bão hòa E r kT pn e e 0 2 0 3 . ε χ = thấp ⇒ E kT pn P e e rr 3 . 2 0 = với E r 10 10 Điện tích trên ΔS = ±σ ’. Δ S 2. Vector phân cực điệnmôi Vector phân cực điện môi và mật độ điệnmặtliênkết ⇒ σ ’= P e .cos α = P en +σ’ -σ’ Δ S d + - - - - - - + + + + + + E r e P r n r α ª Mật độ điệnmặtcácđiện tích liên kếtcủakhối điện môi có giá trị bằng hình chiếucủa vector phân cực trên pháp tuyếncủamặtgiớihạn đó. Trong đó: dSp n i ei .'. 1 Δ= ∑ = σ ΔV = Δ S.d.cos α và α σ = α Δ Δ σ = cos ' cos .'. dS dS P e Vì thế: Đơnvị của P e : C/m 2 V p PP n i ei ee Δ == ∑ =1 r có: [...]...3 Điện trường trong chất điện môi Cường độ điện trường trong chất điện môi r E0 σ’ +σ’ r E' σ’ +σ’ r E0 r E σ’ +σ’ σ’ +σ’ r r r Điện trường tổng hợp trong chất điện môi: E = E0 + E ' 11 3 Điện trường trong chất điện môi Cường độ điện trường trong chất điện môi r Chiếu theo chiều của E0 có: E = E0 - E’ với: σ’ = Pen = ε0χeEn = ε0χeE r E' r E0 E’ là điện trường gây bởi 2 mặt phẳng vô hạn mang điện. .. χe ε Chân không Điện môi σ’ +σ’ ε =1+χ0 là hằng số điện môi, đặc trưng cho tính chất của môi trường Cường độ điện trường trong chất điện môi đồng chất và đẳng hướng giảm đi ε lần so với cường độ điện trường trong chân không 12 3 Điện trường trong chất điện môi Điện cảm trong chất điện môi r r có: D = ε 0 εE ε = 1 + χe r r D = ε 0 (1 + χ e )E = r r = ε 0 E + ε 0χ e E = r r = ε 0 E + Pe Môi trường đồng... chu trình kín 23 4 Vật liệu điện môi đặc biệt Điện môi Séc-nhét (Seignette) Vật liệu sắt điện (ferroelectric materials) Vật liệu có sự phân cực phụ thuộc trường ngoài và có tính chất trễ ⇒ vật liệu sắt điện Có hằng số điện môi lớn (từ vài chục → hàng ngàn đơn vị) Tính chất sắt điện phụ thuộc nhiệt độ Tại nhiệt độ xác định tính chất sắt điện biến mất ⇒ trở thành vật liệu điện môi thông thường ⇒ nhiệt độ... tuyến r Điện cảm D trong môi trường không đồng nhất, không cùng r phương, cùng chiều với E Đường sức trường qua mặt phân cách 2 môi trường Đường sức điện trường gián đoạn khi qua mặt phân cách 2 môi trường Đường sức điện cảm không gián đoạn khi qua mặt phân cách 2 môi trường 13 3 Điện trường trong điện môi Đường sức điện trường qua mặt phân cách 2 môi trường r Điện trường E0 đi qua mặt phân cách hai môi. .. vector cảm ứng điện biến thiên không liên tục khi đi qua mặt phân cách 2 lớp điện môi 16 3 Điện trường trong điện môi Đường sức điện cảm qua mặt phân cách 2 môi trường Chiếu lên phương pháp tuyến, có: D1t D1n = ε0ε1E1n D2n = ε0ε2E2n D1n r E0 Vì: ε1 E1n = ε 2 E2 n r E '1 r D1 D1n = D2n Thành phần pháp tuyến của vector cảm ứng điện biến thiên liên tục khi đi qua mặt phân cách 2 lớp điện môi D2n D2t r... Tc Muối NaKC4H4O6.4H2O chỉ có tính chất sắt điện với 15 0C < T < 22 0C ⇒ có 2 điểm Curie, Tc = -15 0C và 22 0C Vật liệu sắt điện tổng hợp BaTiO3 PZT AlN 24 4 Vật liệu điện môi đặc biệt Hiệu ứng áp điện (piezoelectric effect) Trên các mặt của tinh thể thạch anh (SiO2) xuất hiện các điện tích trái dấu tương tự như các điện tích xuất hiện trong hiện tượng phân cực điện môi khi có một ứng suất cơ học (lực... là muối Rochelle Tính chất vật lý: Trong suốt hoặc vàng nhạt; Dễ dàng tan trong nước; Cấu trúc orthorhombic; Trọng lượng riêng = 1.79; Nhiệt độ nóng chảy = 75 °C 18 4 Vật liệu điện môi đặc biệt Điện môi Séc-nhét (Seignette) Nhóm điện môi Séc-nhét (tự nhiên) Tourmaline: Ca,K,Na (Al,Fe,Li,Mg,Mn)3; Quartz: SiO2; Topaz: Al2SiO4(F,OH)2; Tinh thể đường Tính chất phân cực phụ thuộc điện trường ngoài P Ps... bởi giá trị của E tại thời điểm đang xét mà còn phụ thuộc vào các trị số của E có trước đó ⇔ phụ thuộc vào lịch sử của chất điện môi Pr Ec 0 E P = 0 khi E = - Ec (lực kháng điện - coercive force) Tiếp tục thay đổi E ⇒ thu được một chu trình điện trễ 20 4 Vật liệu điện môi đặc biệt Điện môi Séc-nhét (Seignette) Cơ chế hiện tượng trễ (Thuyết miền phân cực tự nhiên) Cấu trúc tinh thể có những miền trong... r E '2 E2n ε1 E1n = ε 2 E2 n ⇒ E1n = ε2 E2 n ε1 Thành phần pháp tuyến của vector cường độ điện trường tổng hợp biến thiên không liên tục khi đi qua mặt phân cách 2 lớp điện môi Đường sức điện trường là không liên tục khi đi qua mặt phân cách 15 3 Điện trường trong điện môi Đường sức điện cảm qua mặt phân cách 2 môi trường r r D1 = ε 0 εE1 có: r r D2 = ε 0 εE2 Chiếu lên phương tiếp tuyến, có: D1t = ε0ε1E1t... tuyến của vector cảm ứng điện biến thiên liên tục khi đi qua mặt phân cách 2 lớp điện môi D2n D2t r E '2 r D2 Thông lượng cảm ứng điện theo định nghĩa: Φe = ∫ D dS n (S ) Đường sức cảm ứng điện đi liên tục trong các môi trường điện môi 17 4 Vật liệu điện môi đặc biệt Điện môi Séc-nhét (Seignette) Tinh thể muối Séc-nhét Công thức: KNaC4H4O6·4H2O Tên gọi: Kali Natri táctrát ngậm nước – (Potassium sodium . 1 CHƯƠNG 3 - ĐIỆN MÔI 1. Sự phân cựctrongchất điệnmôi 2. Vector phân cực điệnmôi 3. Điệntrường trong chất điệnmôi 4. Vậtliệu điệnmôiđặcbiệt 2 1 điện. 0 E r + ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 0 E r ⎯ + -q +q d p e 0 E r 5 1. Sự phân cựctrongchất điệnmôi Hiệntượng phân cực điệnmôi ) Ví dụ: H 2 O, NH 3 , HCL, CH 3 Cl ) Điệntrường ngoài không ảnh hưởng đến độ lớncủa ⇒ phân tử là lưỡng cựccứng. e p r 0= e p r 0 0 =E r khi 0 ≠ e p r 0 0 ≠E r khi và ) ⎯ + -q +q d p e 0 E r 0 ≠ e p r ). tự cựcvàđiệnmôitinhthể đủ lớn ⇒ e P r đạttrạng thái bão hòa E r kT pn e e 0 2 0 3 . ε χ = thấp ⇒ E kT pn P e e rr 3 . 2 0 = với E r 10 10 Điện tích trên ΔS = ±σ ’. Δ S 2. Vector phân cực điệnmôi Vector