Bài giảng vật lý đại cương 2 chương 2 th s đỗ quốc huy

Th.S Đỗ Quốc Huy BÀI GIẢNG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG Chương ĐIỆN TRƯỜNG TRONG CHẤT ĐIỆN MÔI MỤC TIÊU Sau học xong chương này, SV phải : – Giải thích tượng phân cực điện mơi – Nêu mối quan hệ vectơ phân cực điện mơi mật độ điện tích liên kết – Xác định vectơ cường độ điện trường, vectơ cảm ứng điện chất điện môi – Nêu định lí O – G chất điện mơi NỘI DUNG I – Khái niệm chất điện môi II – Sự phân cực điện môi III – Điện trường chất điện môi IV – Vectơ cường độ điện trường vectơ cảm ứng điện mặt phân cách hai môi trường điện môi V – Điện môi đặc biệt I – KHÁI NIỆM VỀ CHẤT ĐIỆN MÔI: Về phương diện điện học, chất chia làm ba loại: Dẫn điện Bán dẫn Có điện tích tự Vd: kim loại Điện tích liên kết yếu Vd: Ge, Si Khơng có điện tích tự Điện mơi Vd: phi kim II – SỰ PHÂN CỰC ĐIỆN MƠI – Hiện tượng phân cực điện mơi: Hiện tượng xuất điện tích điện mơi đặt điện trường ngồi gọi tượng phân cực điện môi   E0  E0  -  E' + + + + + Điện tích liên kết Nếu điện mơi khơng đồng chất đẳng hướng điện tích xuất lịng điện mơi 2 – Giải thích tượng phân cực điện mơi: Khi xét tương tác electron nguyên tử, phân tử với điện tich hay điện trường ngoài, ta coi tác dụng electron tương đương điện tích điểm tổng cộng –q đứng yên vị trí trung bình – gọi tâm điện tích âm Tương tự, tác dụng hạt nhân tương đương điện tích +q đặt tâm điện tích dương Khi chưa có điện trường ngồi, tâm điện tích dương tâm điện tích âm trùng lệch  pe Khi có điện trường ngồi, tâm điện tích dương tâm điện tích âm ln lệch Bản thân phân tử lúc trở thành lưỡng cực điện  Dưới tác dụng điện trường ngồi, mơmen điện p e phân tử xoay định hướng theo đường sức điện trường ngồi Kết quả, lịng chất điện mơi điện tích trái dấu lưỡng cực phân tử trung hòa nhau, hai mặt giới hạn, xuất điện tích trái dấu – điện tích liên kết Điện trường ngồi mạnh, phân cực rõ rệt  E0    E0  E0  - + + + + + – Vectơ phân cực điện môi: Vectơ phân cực điện môi đại lượng đặc trưng cho mức độ phân cực điện môi, đo tổng mômen điện phân tử có đơn vị thể tích khối điện môi   pei n  Pe  i 1 V Vectơ phân cực điện môi đại lượng vĩ mô, coi mômen lưỡng cực điện ứng với đơn vị thể tích chất điện môi Đơn vị đo vectơ phân cực điện môi C/m2 (trùng với đơn vị đo mật độ điện tích mặt) 4 – Liên hệ VTPCĐM mật độ điện tích liên kết: Xét khối điện mơi đồng chất, đẳng hướng, đặt  điện trường E Xét hình trụ đủ nhỏ có hai đáy nằm hai mặt điện  mơi, có đường sinh // với E  - E0 + + +  Pe  + + ’  n Khi hình trụ coi lưỡng cực điện có mômen điện:     p   p ei  q    '.S  Mà, vectơ phân cực khối điện mơi hình trụ :   pei n   p  '.S  Pe    V V S..cos   i 1  - E0 + + + Suy ra:  Pe  + + ’  n Hay: ' | P e | cos    '  Pe cos   Pen Vậy: Mật độ điện tích liên kết hình chiếu vectơ phân cực lên pháp tuyến mặt giới hạn III – ĐIỆN TRƯỜNG TRONG CHẤT ĐIỆN MƠI – Điện trường vi mơ điện trường vĩ mô: Mỗi phân tử chất điện môi lưỡng cực điện Điện trường lưỡng cực gây gọi điện trường vi mô Điện trường vi mô biến thiên lớn khoảng không gian nhỏ bao quanh phân tử Khi khảo sát điện trường, ta phải dùng điện tích thử Một điện tích thử dù kích thước nhỏ đến đâu lớn so với kích thước phân tử Vì điện tích thử đặt lịng điện mơi chiếm vị trí khơng gian đủ lớn ta đo điện trường trung bình điện trường vi mơ miền khơng gian Do nói đến điện trường lịng vật chất, ta hiểu điện trường điện trường vĩ mơ điểm lịng vật chất – Điện trường lịng chất điện mơi:   Eo   - E' E M  E  E  E'  E  E  E ' - -  + + + - + - + - + Mà: Pen ' Pe E'    0 0 0 Đối với chất điện môi đồng chất, đẳng   hướng: Pe    E e  E  E  e E  E0 E0 E   e  e gọi độ cảm điện Vậy: cường độ điện trường lịng chất điện mơi giảm  lần so với cường độ điện trường chân không Hệ số điện môi số chất: Chất điện môi Chân không   Chất điện môi Parafin 2,2 – 2,3 Khơng khí 1,0006 Cao su mềm 2,6 – Dầu hỏa 2,1 Mica – 5,5 Nhựa thông 3,5 Thủy tinh – 10 Ebônit 2,7 – Sứ 6,3 – 7,5 – Định lí O – G môi trường điện môi – vectơ cảm ứng điện: Chân không Điện môi  div E  0  q  EdS    (S)  div P e  lk Vectơ cảm ứng điện ( S) 0  td div E  0     D  0 E  P e  div D  td   ĐM đc&đh: D   E    Dd S  q trong(S) (S)   Nếu chất điện môi không đồng đẳng hướng P e E khơng phương, điện tích xuất lịng điện mơi   IV – VECTƠ E VÀ D TẠI MẶT PHÂN CÁCH HAI CHẤT ĐIỆN MÔI   E 1t  E 1n E '1  E1 E0   E 2n   E1  E  E '1    E t E ' E1t  E t  E '1t  E  E  E '2 (1) E t  E t  E '2 t (2) E1n  E 0n  E '1n (3) E n  E n  E '2 n (4)  E2  1E1n = 2E2n Vì E’1t = E’2t = nên E1t = E2t Vậy: Thành phần tiếp tuyến vectơ cường độ điện trường biến thiên liên tục qua mặt phân cách hai lớp điện môi Lập luận tương tự, suy ra: Thành phần pháp tuyến vectơ cường độ điện trường biến thiên không liên tục qua mặt phân cách hai lớp điện môi   IV – VECTƠ E VÀ D TẠI MẶT PHÂN CÁCH HAI CHẤT ĐIỆN MÔI  D1  1 E1  E 1t   E1n  E '1  E1 E0   E 2n  E t E '  E2   D   2 E D2t 1E1t 1   D1t  E t  D 2n 1E1n  1 D1n  E n Vậy: Thành phần tiếp tuyến vectơ cảm ứng điện biến thiên không liên tục qua mặt phân cách hai lớp điện môi; Thành phần pháp tuyến vectơ cảm ứng điện biến thiên liên tục qua mặt phân cách hai lớp điện mơi V – ĐIỆN MƠI ĐẶC BIỆT – Điện mơi sécnhét: Muối sécnhét có cơng thức NaK(C2H2O3)2.4H2O Đặc tính điện mơi sécnhét : • Hệ số điện mơi sécnhét phụ thuộc vào nhiệt độ, có gía trị lớn (có thể đạt tới 10000) • Vectơ phân cực không tỉ lệ bậc với cường độ điện trường lịng chất điện mơi • Giá trị Pe phụ thuộc cường Pe độ điện trường E trạng thái Ped phân cực trước điện mơi - E b - EK • Khi tăng nhiệt độ tới nhiệt E O K Eb E độ TC , sécnhét hết tính chất đăc biệt, trở thành điện mơi bình thường 2 – Hiệu ứng áp điện: Năm 1880 nhà vật lí Pie Curi Giắc Curi phát tượng : kéo dãn nén tinh thể điện môi theo phương đặc biệt tinh thể mặt giới hạn tinh thể có xuất điện tích trái dấu Hiện tượng gọi hiệu ứng áp điện thuận Ngược lại, ta áp lên hai mặt tinh thể hiệu điện bị dãn nén Đó hiệu ứng áp điện nghịch + + Hiệu ứng áp địện thuận ứng + + + + dụng để biến dao động thành + + + + dao động điện + + + + Hiệu ứng áp địện nghịch ứng dụng để chế tạo máy phát sóng siêu âm