Bài giảng vật lý đại cương A2 (Điện môi)

Sự phân cực trong chất điện môi Điện trường của thanh tích điện + hút các điện tử và đẩy hạt nhân ⇒ mất phân bố điện tích đối xứng.. Sự phân cực trong chất điện môi Hiện tượng phân cực đ

CHƯƠNG 3 - ĐIỆN MÔI

1 Sự phân cực trong chất điện môi

2 Vector phân cực điện môi

3 Điện trường trong chất điện môi

4 Vật liệu điện môi đặc biệt

1 Sự phân cực trong chất điện môi

) Điện trường của thanh tích điện (+)

hút các điện tử và đẩy hạt nhân ⇒ mất

phân bố điện tích đối xứng

) Chất điện môi: Điện tử liên kết chặt

với hạt nhân nguyên tử ⇒ phân bố điện

tích đối xứng ⇒ khó tự do di chuyển

suốt qua toàn bộ thể tích

) Do điện trường thanh giảm theo

khoảng cách với vật ⇒ lực hút sẽ lớn

hơn lực đẩy ⇒ vật bị hút về thanh tích

điện

Hiện tượng phân cực điện môi

) Phân bố điện tích bề mặt: điện tích (-)

ở phía sát thanh tích điện và điện tích (+)

ở phía đối diện ⇒ Hiện tượng phân cực

1 Sự phân cực trong chất điện môi Hiện tượng phân cực điện môi

) Điện tích liên kết có thể vẫn tồntại ngay cả sau khi Er0 =0

) Xuất hiện phân bố điện tích liênkết ở một số vùng trên bề mặt ⇒mật độ điện tích liên kết mặt σ’.

'

E E

hòa điện khi Er0 = 0

) Xuất hiện phân bố các điện

Mô hình phân cực nguyên tử

1 Sự phân cực trong chất điện môi Hiện tượng phân cực điện môi

) Nguyên tử bị phân cực điện ⇔ lưỡng cực điện, với là vector hướng từtrọng tâm “đám mây điện tử “ đến hạt nhân nguyên tử

d r

+

⎯

d q

d

p e

0

Er

1 Sự phân cực trong chất điện môi Hiện tượng phân cực điện môi

) Ví dụ: H2O, NH3, HCL, CH3Cl

) Điện trường ngoài không ảnh hưởng đến độ lớn của ⇒ phân tử là lưỡngcực cứng

epr

)

⎯

+

-q +q

) Phân tử có phân bố điện tích không đối

d

p e

Phân tử tự phân cực (phân cực tự phát)

Phân tử không tự phân cực (phân cực cảm ứng)

) Phân tử là lưỡng cực đàn hồi

E

p re r

α ε

=

) Có:

với α: độ phân cực phân tử, ∈ thể tích phân tử

Các dạng phân cực điện môi

Điện môi cấu tạo bởi các phân tử tự phân cực: Phân cực định hướng

1 Sự phân cực trong chất điện môi

) Hình thành lớp điện tích tại bề mặt điện môi ⇒ không phải là điện tích

pr ei

i ei

i ei

) Khi không có trường ngoài ⇒ từng phân tử có nhưng mỗi

có phương ngẫu nhiên

pr

eipr

Điện môi cấu tạo bởi các phân tử không tự phân cực: Phân cực điện tử

) Khi không có trường ngoài ⇒ từng phân tử có do trọng tâm điệntích (+) và (-) trùng nhau

pr

) Khi có trường ngoài ⇒ các lớp vỏ điện tử của từng phân tử bị biến dạng

⇒ trọng tâm điện tích (+) và (-) không trùng nhau, nên và đều cùngphương trường ngoài

Các dạng phân cực điện môi

1 Sự phân cực trong chất điện môi

) Khối tinh thể được coi là như

d

Điện môi có cấu trúc tinh thể: Phân cực i-ôn

Cấu trúc tinh thể NaCl

2 Vector phân cực điện môi Định nghĩa

Đại lượng vật lý đo bằng tổng lưỡng cực điện của các

phân tử có trong một đơn vị thể tích của khối điện môi

V

p P

n i

E n

p

n V

r r

α ε

=

= Δ

= 0Hay: (χe: Độ cảm điện môi)

Điện môi tự phân cực

Điện môi không phân tự cực và điện môi tinh thể

3

ε

χ =

kT

p n

P e e

-+ + +

+ + +

Δσ

=

cos

'cos

'

d S

d S

P

n i ei e

Cường độ điện trường trong chất điện môi

+

=) Điện trường tổng hợp trong chất điện môi:

3 Điện trường trong chất điện môi

3 Điện trường trong chất điện môi Cường độ điện trường trong chất điện môi

) Chiếu theo chiều của E r0 có:

ª E’ là điện trường gây bởi 2 mặt

phẳng vô hạn mang điện tích trái dầu

với mật độ -σ’ và +σ’, và:

E’ =σ’ /ε0

σ’ = P en = ε0χe E n = ε0χe E

ª 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

Chân không Điện môi

σ’ +σ’

ε

=χ+

= 0 0

1

E E

Điện cảm trong chất điện môi

) có: D r E r

ε ε

P E

E E

E D

r r

r r

r r

+ ε

=

= χ

ε + ε

=

= χ

+ ε

=

0

0 0

Đường sức trường qua mặt phân cách 2 môi trường

) Đường sức điện cảm không gián

đoạn khi qua mặt phân cách 2 môi

trường

) Đường sức điện trường gián đoạn

khi qua mặt phân cách 2 môi trường

Môi trường đồng nhất,

Phi tuyến

3 Điện trường trong điện môi Đường sức điện trường qua mặt phân cách 2 môi trường

ª Trên các mặt giới hạn xuất hiện

các điện tích liên kết ⇒ xuất hiện

) Điện trường đi qua mặt phân

cách hai môi trường có hằng số điện

n E E

E1 = 0 + '1

E E

E = + '

n n

n E E

E2 = 0 + '2

E E

E = + 'và

3 Điện trường trong điện môi Đường sức điện trường qua mặt phân cách 2 môi trường

ª Thành phần tiếp tuyến của vector

cường độ điện trường tổng hợp biến

thiên liên tục khi đi qua mặt phân

3 Điện trường trong điện môi Đường sức điện cảm qua mặt phân cách 2 môi trường

=

2 0

ε ε

=) Chiếu lên phương tiếp tuyến, có:

3 Điện trường trong điện môi Đường sức điện cảm qua mặt phân cách 2 môi trường

ª Thành phần pháp tuyến của vector

cảm ứng điện biến thiên liên tục khi đi

qua mặt phân cách 2 lớp điện môi.

) Thông lượng cảm ứng điện theo định nghĩa:

ª Đường sức cảm ứng điện đi liên tục trong các môi trường điện môi

) Công thức: KNaC4H4O6·4H2O

ª Trong suốt hoặc vàng nhạt;

ª Dễ dàng tan trong nước;

) Tên gọi: Kali Natri táctrát ngậm nước –

(Potassium sodium tartrate

Tetrahydrate)

) Lịch sử: được tổng hợp lần đầu tiên

(khoảng 1675) bởi dược sỹ Pierre Seignette

(La Rochelle, Pháp) ⇒ còn gọi là muối

Rochelle

ª Trọng lượng riêng = 1.79;

ª Nhiệt độ nóng chảy = 75 °C

4 Vật liệu điện môi đặc biệtNhóm điện môi Séc-nhét (tự nhiên)

Điện môi Séc-nhét (Seignette)

ª Tourmaline: Ca,K,Na (Al,Fe,Li,Mg,Mn)3;

ª Quartz: SiO2;

ª Tinh thể đường

ª Topaz: Al2SiO4(F,OH)2;

) Hằng số điện môi (ε) của các Séc-nhét

phụ thuộc vào Engoài

P

E 0

P s

) Khi E tăng đến giá trị nào đó ⇒ P đạt

trạng thái bão hòa (Ps)

) Vectơ P không có sự phụ thộc tuyến

tính với vector E

Tính chất phân cực phụ thuộc điện trường ngoài

4 Vật liệu điện môi đặc biệt Điện môi Séc-nhét (Seignette)

P

E 0

) P = 0 khi E = - Ec (lực kháng điện - coercive force)

) Tiếp tục thay đổi E ⇒ thu được một chu trình điện trễ

Hiện tượng điện trễ

ª Khi Engoài thay đổi, các trị số của P

thay đổi chậm hơn so với E ⇒ P được

xác định không những 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

4 Vật liệu điện môi đặc biệt Điện môi Séc-nhét (Seignette)

) Cấu trúc tinh thể có những miền trong đó có

sự định hướng giống nhau của các mômen lưỡng

cực ⇒ phân cực tự phát tạo ra véctơ phân cực tự

phát trong 1 miền ⇒ các đômen (domain)

) Khi Engoài ≠ 0, các mômen của các domain

quay như các lưỡng cực đơn và sắp xếp theo

hướng của điện trường

Cơ chế hiện tượng trễ (Thuyết miền phân cực

tự nhiên)

) Hướng của véctơ phân cực của từng miền

khác nhau từ miền này qua miền khác ⇒ véctơ

phân cực tổng cộng của tinh thể = 0

ª Tăng dần Engoài cho tới khi tất

cả các vector phân cực tổng cộng

của từng miền song song với

nhau ⇒ trạng thái bão hòa (P s)

ª Khi Engoài giảm → 0, mômen

phân cực của một số domain

không xoay kịp trở lại ⇒ tạo ra

hiện tượng phân cực dư ⇒ có giá

trị P r

ª Đảo chiều và tăng E = - Ecvéctơ phân cực của từng miền trở lại vị trí như ban đầu ⇒

) Tiếp tục tăng dần Engoài cho tới

khi tất cả các vector phân cực

tổng cộng của từng miền song

song với nhau ⇒ đạt trạng thái

bão hòa (-P s) lần nữa (đối xứng

với P s qua gốc 0)

) Nếu đưa Engoài → 0 ⇒ lại tạo

ra hiện tượng phân cực dư (trị P r)

và P = 0 khi E = Ec cũng như

tiếp tục đạt giá trị Ps ban đầu khi

tăng dần E ⇒ tạo thành chu trình

) Có hằng số điện môi lớn (từ vài chục → hàng ngàn đơn vị)

) Vật liệu có sự phân cực phụ thuộc trường ngoài và có tính chất trễ ⇒ vật liệu sắt điện

Vật liệu sắt điện (ferroelectric materials)

4 Vật liệu điện môi đặc biệt Điện môi Séc-nhét (Seignette)

) 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 Curie (điểm Curie) - Tc

ª Muối NaKC4H4O6.4H2O chỉ có tính chất sắt điện với

Hiệu ứng áp điện (piezoelectric effect)

4 Vật liệu điện môi đặc biệt

) Độ lớn của các điện tích cảm ứng tỉ

lệ với ứng suất đặt vào, thay đổi dấu

theo ứng suất và biến mất khi ngoại lực

ngừng tác dụng

Lực nén ~ 1 N ⇒ trên các mặt đối diện của tinh thểthạch anh xuất hiện một hiệu điện thế ~1 mV

) 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 kéo hoặc

lực nén) tác dụng lên các mặt này

) Hiệu ứng áp điện thuận

Hiệu ứng áp điện (piezoelectric effect)

4 Vật liệu điện môi đặc biệt

) Khi đặt điện áp lên 2 mặt của tinh thể

áp điện ⇒ sẽ bị biến dạng (dãn hoặc

nén) ⇒ hiệu ứng áp điện nghịch

Tinh thể

áp điện

Nguồn điện

) Khi đặt điện áp xoay chiều lên 2 mặt

của tinh thể áp điện ⇒ tinh thể sẽ bị dãn

nén liên tiếp và tạo ra dao động theo tần

số của điện áp đặt vào

Ứng dung hiệu ứng áp điện trong kỹ thuật

) Chế tạo các vi cảm biến

(microsensor) đo áp suất, gia tốc, khối

lượng hoặc nhận biết khí độc…

) Chế tạo các dụng cụ vi chấp hành

(microactuator) làm máy phát điện, máy

phát siêu âm (ultrasound),…