Đang tải... (xem toàn văn)
ĐIỆN MÔI 1. Sự phân cực điện môi a. Hiện tượng phân cực điện môi Khác với vật dẫn, trong điện môi hầu như không có các hạt mang điện tự do, mọi electron đều liên kết chặt chẽ với nguyên tử. Tuy vậy do điện môi được cấu tạo từ các hạt mang điện (electron và hạt nhân) nên nó có những tính chất điện nhất định. Muốn biết điện trường thay đổi thế nào khi có khối điện môi đặt trong đó và nguyên nhân của sự thay đổi đó, ta hãy tìm hiểu xem cái gì sẽ xảy ra với khối điện môi được đặt trong điện trường. Ta có thể quan sát điều đó nhờ thí nghiệm sau. Giữ cố định thẳng đứng hai tấm kim loại phẳng song song với nhau và treo một bản thủy tinh chưa tích điện vào khoảng giữa hai tấm kim loại đó, sao cho nó không tiếp xúc với tấm kim loại và chỉ chiếm một phần không gian giữa hai tấm kim loại đó (Hình 1). Đầu trên của dây treo tấm thủy tinh được buộc vào một cánh tay đòn của cân đòn, và các quả cân được đặt lên đĩa sao cho cân thăng bằng. Ta tạo ra giữa hai tấm kim loại một điện trường mạnh bằng cách nối chúng với một hiệu điện thế vài ngàn vôn (B nối với cực dương). Thí nghiệm cho thấy bản thủy tinh bị kéo xuống dưới. Điều đó chứng tỏ trên bản thủy tinh xuất hiện các điện tích trái dấu, do đó chịu tác dụng của lực điện trường (Hình 1: ở gần mép các tấm kim loại có điện trường không đều do đó cường độ điện trường E có thành phần Et song song với các tấm, thành phần này tác dụng lên bản thủy tinh, kéo bản thủy tinh xuống dưới). Như vậy khi đặt tấm điện môi chưa tích điện trong điện trường, trên tấm đó xuất hiện các điện tích trái dấu. Hiện tượng đó được gọi là sự phân cực điện môi. Các điện tích xuất hiện trên điện môi trong điện trường được gọi là điện tích phân cực. Ta thấy hiện tượng phân cực điện môi có điểm giống như hiện tượng cảm ứng điện trên các vật dẫn. Tuy nhiên giữa chúng có sự khác biệt căn bản. Đối với các vật dẫn cảm ứng ta có thể tách rời các điện tích cảm ứng ra và sau khi điện trường ngoài mất đi, các phần tách riêng của vật vẫn mang điện. Còn với chất điện môi thì dù bằng cách nào ta cũng không thể tách được các phần mang điện khác nhau và sau khi không còn tác dụng của điện trường ngoài mỗi phần của khối điện môi vẫn trung hòa về điện, ta không thể tách rời các điện tích phân cực được. Vì vậy các điện tích đó còn được gọi là các điện tích liên kết. Các điện tích liên kết sinh ra một điện trường phụ E’ ngược chiều, làm điện trường ban đầu E0 trong điện môi thay đổi, và điện trường tổng hợp trong điện môi bây giờ là
ĐIỆN MÔI Sự phân cực điện môi a Hiện tượng phân cực điện môi Khác với vật dẫn, điện môi hạt mang điện tự do, electron liên kết chặt chẽ với nguyên tử Tuy điện môi cấu tạo từ hạt mang điện (electron hạt nhân) nên có tính chất điện định Muốn biết điện trường thay đổi có khối điện E1 môi đặt nguyên nhân E C thay đổi đó, ta tìm hiểu xem B A xảy với khối điện môi đặt điện trường Ta quan sát điều nhờ thí nghiệm sau Giữ cố định thẳng đứng hai kim loại phẳng song song Hình với treo thủy tinh chưa tích điện vào khoảng hai kim loại đó, cho không tiếp xúc với kim loại chiếm phần không gian hai kim loại (Hình 1) Đầu dây treo thủy tinh buộc vào cánh tay đòn cân đòn, cân đặt lên đĩa cho cân thăng Ta tạo hai kim loại điện trường mạnh cách nối chúng với hiệu điện vài ngàn vôn (B nối với cực dương) Thí nghiệm cho thấy thủy tinh bị kéo xuống Điều chứng tỏ thủy tinh xuất điện tích trái dấu, chịu tác dụng lực điện trường (Hình 1: gần mép kim loại có điện trường không cường độ điện trường E có thành phần Et song song với tấm, thành phần tác dụng lên thủy tinh, kéo thủy tinh xuống dưới) Như đặt điện môi chưa tích điện điện trường, xuất điện tích trái dấu Hiện tượng gọi phân cực điện môi Các điện tích xuất điện môi điện trường gọi điện tích phân cực Ta thấy tượng phân cực điện môi có điểm giống tượng cảm ứng điện vật dẫn Tuy nhiên chúng có khác biệt Đối với vật dẫn cảm ứng ta tách rời điện tích cảm ứng sau điện trường đi, phần tách riêng vật mang điện Còn với chất điện môi dù cách ta tách phần mang điện khác sau không tác dụng điện trường phần khối điện môi trung hòa điện, ta tách rời điện tích phân cực Vì điện tích gọi điện tích liên kết Các điện tích liên kết sinh điện trường phụ E’ ngược chiều, làm điện trường ban đầu E0 điện môi thay đổi, điện trường tổng hợp điện môi E = E0 + E ' (1) b Cấu trúc phân tử chất điện môi Để giải thích phân cực điện môi ta cần khảo sát tính chất điện phân tử điện môi Do khác cấu trúc phân tử chất điện môi mà phân cực chúng xảy khác Theo quan niệm lí đại vật cấu trúc từ phân tử, nguyên tử, gồm hạt mang điên tích dương electron mang điện tích âm Ở khoảng cách lớn so với kích H H thước phân tử, ta coi tác dụng electron phân tử tương đương với tác dụng điện tích tổng cộng –q chúng (đối với nguyên tử, q = Ze, với Z nguyên tử số), đặt điểm -q +q (1) phân tử, mà ta gọi tâm điện tích âm Hình Tương tự, ta coi tác dụng hạt nhân tương đương với tác dụng điện tích tổng cộng +q đặt tâm điện tích dương Tùy theo phân bố electron quanh hạt nhân, người ta phân biệt hai loại H+ phân tử điện môi: phân tử cực phân tử O- có cực H+ - Phân tử cực loại phân tử có phân bố electron đối xứng xung quanh hạt nhân Vì trạng thái bình thường, chưa đặt điện +q -q trường, tâm điện tích âm tâm điện tích dương trùng Do đó, mô men điện không Đó trường hợp phân tử điện môi H 2, N2 (xem Hình cho phân tử hiđrô) Điện môi cấu l tạo từ phân tử gọi điện môi + cực (còn gọi điện môi không phân cực) Hình 1() Tâm hệ điện tích xác định công thức tương tự công thức tìm khối tâm hệ chất điểm, cần thay khối lượng chất điểm điện tích hạt điện tích - Phân tử có cực loại phân tử có phân bố electron không đối xứng quanh hạt nhân phân tử H2O, NH3, HCl, CH3Cl, ête, axêtôn Ví dụ, phân tử nước chứa iôn âm ôxi iôn dương hiđrô (Hình 3), có tâm điện tích âm điện tích dương không trùng nhau, mà cách khoảng l Do phân tử điện môi xem lưỡng cực điện, gọi lưỡng cực phân tử, có mômen lưỡng cực điện pe = q l Giá trị mômen lưỡng cực không chịu tác động điện trường Vì điện trường ngoài, phân tử có cực giống lưỡng cực điện cứng: bị điện trường tác dụng gây quanh điện trường Điện môi cấu tạo từ phân tử có cực gọi điện môi có cực (hay điện môi phân cực) c Giải thích phân cực điện môi không cực Xét khối điện môi không cực, đồng tính đẳng hướng Khi ta chưa đặt khối điện môi vào điện trường, phân tử điện môi chưa phải lưỡng cực điện khối điện môi trung hòa điện Khi ta đặt khối điện môi điện trường ngoài, tác dụng lực điện trường, điện tích âm dương nội phân tử dịch chuyển hai phía ngược (chủ yếu electron dịch chuyển), khiến cho tâm điện tích âm dương cách khoảng nhỏ (Hình 4a) Kết là, phân tử trung hòa điện lại có mômen điện khác không: phân tử trở thành lưỡng cực điện Dưới tác dụng điện trường E0, momen điện phần tử điện môi định a) hướng theo điện trường Khi lòng khối điện môi, điện tích trái dấu lưỡng cực (phân tử) trung hòa nhau, nghĩa lòng khối điện môi, không xuất điện tích dư Còn mặt khối điện môi xuất điện tích trái dấu: b) mặt giới hạn mà đường sức điện vào, có điện tích âm, mặt giới hạn mà đường sức điện ra, có Hình điện tích âm Các điện tích điện tích liên kết (Hình 4b) Chuyển động nhiệt không ảnh hưởng đến biến dạng lớp vỏ electron Sự phân cực đây, gây nên dịch chuyển electron nội phân tử tác dụng điện trường ngoài, gọi phân cực electron (hay phân cực biến dạng) điện môi Trong điều kiện điện trường mật độ vật chất không lớn, độ dịch chuyển tương đối tâm điện tích phân tử coi tỉ lệ với cường độ điện trường Vì vậy, mô men lưỡng cực p phần tử tỉ lệ với cường độ điện trường khối điện môi Để thấy rõ tác dụng điện trường lên phân tử không cực, ta xét nguyên tử không cực đơn giản hiđrô Ta xem electron nguyên tử hiđrô F +e -e r chuyển động quỹ đạo tròn bán kính r quanh hạt nhân (Hình 5a) Vì tâm điện tích dương trùng với tâm điện tích âm, nên a) pe = Khi chưa có điện trường ngoài, lực tương F tác Coulomb Fe electron hạt nhân r F đóng vai trò lực hướng tâm chuyển động tròn electron E ∆l c e e2 Fe = F = = mω 2r 4πε r Fc +e b) Khi khối điện môi đặt điện trường mà vectơ cường độ điện trường E Hình khối điện môi thẳng góc với mặt phẳng quỹ đạo electron (Hình 5b), hạt nhân chịu tác dụng lực chiều với E, electron chịu tác dụng lực ngược chiều với E Vì khối lượng hạt nhân lớn so với khối lượng electron, nên cách gần đúng, ta xem hạt nhân giữ nguyên vị trí cũ mặt phẳng quỹ đạo electron bị dịch chuyển đoạn ∆l ngược chiều điện trường (Hình 5b) Song ∆l Còn mặt bên trái, Pn < (vì α > ) nên σ ' > , 2 hoàn toàn tìm thấy từ thực nghiệm Như vậy, mật độ điện mặt khối điện tích liên kết xuất mặt giới hạn khối điện môi có giá trị hình chiếu vectơ phân cực pháp tuyến mặt giới hạn điểm ta xét Theo (6) ta viết σ ' = ε χ En (9) với En hình chiếu E lên phương pháp tuyến n Từ hệ thức (5), ta thấy hệ SI, đơn vị độ phân cực P C / m Các công thức (8) (9) cho trường hợp tổng quát khối điện môi không đồng tính, có hình dạng đặt điện trường không Khi đó, Pn En hình chiếu P E pháp tuyến với mặt giới hạn sát mặt mà mật độ điện tích liên kết σ ' c Điện tích phân cực bên khối điện môi không đồng tính Nếu khối điện môi không đồng tính, đặt điện trường, khối điện môi bị phân cực không đều; vectơ phân cực P khác điểm khác Kết thể tích ∆V khối điện môi, tổng điện tích dương không độ lớn tổng điện tích âm Trong lòng khối điện môi xuất điện tích dư với phân bố định Ta tưởng tượng tách khối z điện môi hình hộp nhỏ cạnh Pz c d dx, dy, dz (Hình 10) Giả sử đỉnh a có f tọa độ (x, y, z) hình hộp, vectơ phân e dz cực P có thành phần Px, Py, Pz Theo b (6), ta có: a Py h dx Lượng điện tích âm mặt abcd g dy Px Đó lượng điện dương qua Px mặt vào hình hộp Vì thành phần trục y x x vectơ P mặt efgh (vì α < dPx Px + dx dx ÷ nên lượng điện tích dương Hình 10 dP mặt efgh Px + x dx ÷dy dz Đó lượng điện tích dương dx khỏi mặt efgh Do đó, độ biến thiên điện tích dương lượng điện tích hộp theo phương Ox dP dP − x dx ×dy ×dz = − x dV dx dx Lập luận tương tự cho mặt lại, ta tìm điện tích dương tổng cộng cho hình hộp, điện môi bị phân cực, dP dP dP − x + y + z ÷dV dy dz dx Mặt khác, điện tích tính theo biểu thức ρ 'dV , ρ ' mật độ điện khối điện tích phân cực Do đó, ta có: dP dPy dPz − x + + ÷= ρ ' dx dy dz div P = − ρ ' hay (10) Như vậy, khối điện môi bị phân cực không đều, điện tích liên kết mặt xuất điện tích liên kết khối Các công thức (9) (10) giúp ta tìm mật độ điện tích liên kết mặt mật độ điện tích liên kết khối Hiển nhiên có phân bố đồng P = const., ρ'= Cường độ điện trường tổng hợp điện môi Khi khối điện môi đặt điện trường E0, mặt giới hạn xuất điện tích trái dấu với mật độ mặt +σ ' −σ ' , lòng khối điện môi xuất điện tích liên kết với mật độ điện khối ρ ' Các điện tích tạo bên khối điện môi điện trường phụ E’ Do đó, cường độ điện trường tổng hợp điểm khối điện môi E = E0 + E ' (11) Tùy thuộc vào đặc tính khối điện môi điện trường E0 mà điện trường E’ E có phương chiều độ lớn khác a Liên hệ cường độ điện trường E E0 Để tìm mối liên hệ cường độ điện trường E E0 , ta xét trường hợp đơn giản, với khối điện môi đồng lấp đầy khoảng không gian có điện trường hai mặt kim loại song song vô hạn tích điện trái dấu với mật độ +σ ' −σ ' (xem Hình 11 ; hình đó, để dễ hình -σi dung, ta vẽ mặt giới hạn khối điện môi E' M không sát hẳn vào mặt phẳng tích điện) +σi E 10 E0 Hình 11 Trong trường hợp điện trường E0 điện trường đều, hướng từ mặt phẳng tích điện dương sang mặt phẳng tích điện âm Dưới tác dụng điện trường E0, khối điện môi bị phân cực mặt giới hạn xuất điện tích trái dấu với mật độ điện tích +σ ' −σ ' (không có điện tích liên kết xuất khối điện môi) Các điện tích liên kết tạo khối điện môi điện trường phụ E’ phương ngược chiều với E0 Do đó, điểm điện môi, cường độ điện trường tổng hợp : E = E0 + E ' (12) Vectơ E phương, ngược chiều với vectơ E0, vuông góc với mặt phẳng kim loại tích điện có độ lớn : E = E0 − E ' (12a) Trong lòng khối điện môi, điện tích trung hòa nhau, nên E’ tính cường độ điện trường hai mặt phẳng rộng vô hạn song song tích điện với mật độ điện mặt +σ ' −σ ' chân không, nghĩa theo (9) ta có : σ' E' = = χe E (13) ε0 Từ đó, theo (12a) E = E0 − χ e E Hay, E= E0 E = + χe ε (14) Trong đó, ε = + χ e số phụ thuộc vào tính chất điện điện môi, gọi số điện môi môi trường Vì χ e ≥ , nên ε ≥ Từ (14), ta thấy khối điện môi đồng đẳng hướng, cường độ điện trường nhỏ ε lần so với cường độ điện trường chân không Cần ý cường độ điện trường giảm ε khối điện môi đồng chiếm đầy toàn không gian có điện trường.Thực ta biết hai mặt phẳng song song tích điện với mật độ +σ −σ gây điện trường không vùng giới hạn hai mặt phẳng Do đó, hai điện môi mặt phẳng kim loại tích điện có khe hở thì cường độ điện trường khe hở có giá trị chưa có điện môi Điều có nghĩa khoảng không khí mặt kim loại, điện trường tạo điện tích mặt kim loại 11 σ Còn mặt điện môi cường độ điện trường ε0 E σ σ' − Khi khối điện môi thay đổi đột ngột ε0 ε0 chiếm phần điện trường, Hình 12 chẳng hạn, cường độ điện trường điểm ta xét c a lớn nhỏ cường độ điện trường chân không: Tại c (bên điện môi), cường độ điện trường nhỏ E0, a b cường độ điện trường lớn E0 b Liên hệ vectơ cảm ứng điện D điện Hình 12 môi vectơ phân cưc điện môi P Dựa vào kết tổng quát (14) ta tìm mối liên hệ vectơ cảm ứng điện D thường dùng để đặc trưng cho điện trường điện môi vectơ phân cưc P D = εε E Theo định nghĩa ε = + χe Thay D = ε E + ε 0χe E Ta có (16) Theo (6), ta có D = ε0E + P (17) Công thức (17) biểu thị định nghĩa tổng quát vectơ cảm ứng điện D Thực vậy, cần ý công thức D = εε E P = ε χ e E với điện môi đồng đẳng hướng Còn với điện môi dị hướng, điện môi tinh thể điểm, P E không hướng, công thức (15), (6) không áp dụng được, mà phải dùng công thức (17) c.Lực tác dụng lên điện tích đặt điện môi Thực nghiệm cho thấy lực tương tác Coulomb hai điện tích điểm đặt môi trường điện môi nhỏ ε so với đặt chân không Trong thực tế vật mang điện có kích thước khác nhau; đó, việc xác định lực tác dụng lên vật mang điện đặt điện môi phức tạp Thật vậy, chân không, điện tích q nhỏ đặt điện trường E chịu tác dụng lực xác định theo công thức đơn giản F = qE Thế điện môi, lực tác dụng lên vật xác định cách đơn giản Trước hết đặt vật mang điện vào khối điện môi, ta phải tạo lỗ hổng khối Đối với điện môi lỏng khí lỗ hổng có dạng vật 12 b mang điện Trên mặt lỗ hổng xuất điện tích liên kết Do đó, điện trường tác dụng lên vật mang điện nói chung khác với điện trường khối điện môi liên tục chưa đặt vật mà ta xét Còn với điện môi rắn, muốn đặt vật mang điện vào, ta phải khoét khối điện môi lỗ hổng có hình dạng ta định Khi đó, phân bố điện tích liên kết tùy thuộc vào cách ta chọn hình dạnh lỗ hổng, lực tác dụng lên vật mang điện trường hợp cụ thể khác Mặt khác xét điện môi lỏng khí, ta phải ý đến tượng bị phân cực, khối điện môi bị biến dạng (gọi tượng điện giảo) Thật vậy, khối điện môi bị phân cực, phân tử lưỡng cực điện, điện trường (nói chung không đều) lưỡng cực chịu tác dụng lực điện Kết khối điện môi vật mang điện, xuất lực học, lực tác dụng lên vật làm ảnh hưởng đến độ lớn (cả phương, chiều) lực tác dụng lên vật mang điện đặt khối điện môi Tuy nhiên, lí thuyết chứng minh rằng, đặt cầu nhỏ mang điện (coi điện tích điểm) khối điện môi lỏng hay khí, đồng nhất, đẳng hướng chiếm đầy khoảng không gian có điện trường, lực tổng hợp (bao gồm lực điện trường lực điện giảo) tác dụng lên cầu tính theo công thức F = qE Đồng thời, tương tác hai cầu mang điện đặt khối điện môi xác định công thức qQ F = qE = r 4πεε r Nghĩa lực tương tác Coulomb nhỏ ε lần so với chân không, tìm từ thực nghiệm Điều chứng tỏ cường độ điện trường cầu mang điện, đặt điện môi đồng chất đẳng hướng, tạo nhỏ lần so với cường độ điện trường gây chân không Kết thu dựa vào (9) (12)) d Hằng số điện môi Đối với điện môi khác nhau, số điện môi ε có giá trị tùy thuộc vào thành phần cấu trúc phân tử chất, vào tính chất điện phân tử mật độ phân tử Thực nghiệm cho thấy số điện môi điện môi khí điều kiện chuẩn có giá trị từ 1,000074 (khí He) đến 1,00065 (khí N 2), nghĩa xấp xỉ 13 Các điện môi lỏng có số điện môi khác Chẳng hạn nhiệt độ 20oC nước có ε = 81 , dầu biến thể có ε = 2.24 … Đối với điện môi rắn, số điện môi có giá trị từ tới 10 Bằng lí thuyết, Clausius Mossoti tìm công thức xác định số điện môi điện môi không cực Phương trình Clausius – Mossoti ε − n0α = (15) ε +2 ε − µ N Aα = hay (15a) ε +2 ρ với n0 mật độ phân tử, α hệ số phân cực (xem (4)), ρ khối lượng riêng, µ khối lượng mol, NA số Avogadro Phương trình (15) thực nghiệm kiểm tra chất khí khoảng biến đổi áp suất rộng Khi giữ cho nồng độ phân tử n0 không đổi, ε không phụ thuộc vào nhiệt độ Thực nghiệm xác nhận Phương trình (15) với tinh thể ion, thay cho α hệ số phân cực ion αi, đặc trưng cho mức độ khó hay dễ dịch chuyển ion tinh thể ta đặt điện trường Đối với điện môi có cực, Debye tìm phương trình Debye xác định số điện môi có dạng pe2 ε −1 µ NA = α + (16) i ÷ ε +2 ρ 3ε kT Phương trình Debye cho thấy số điện môi phụ thuộc vào nhiệt độ giảm nhiệt độ tăng Thực nghiệm xác nhận điều Khi điện môi có xuất dạng phân cực số điện môi tính từ phương trình: pe2 ε −1 µ NA = α + αi + ÷ ε +2 ρ 3ε kT (số hạng thứ hai ngoặc đơn ứng với phân cực ion, số hạng thứ ba ứng với phân cực lưỡng cực) Bằng thực nghiệm, dựa vào phương trình trên, người ta tính mômen lưỡng cực phân tử lẫn hệ số phân cực phân tử Chẳng hạn, phân tử nước pe=6,2.10-30 C.m, phân tử HCl pe=6,2.10-30 C.m, phân tử NH3 pe= 4,5.10-30 C.m Nói chung mômen lưỡng cực phân tử có độ lớn mômen lưỡng cực hai điện tích điểm +e –e đặt cách vào khoảng 10−10 m Tính chất điện đặc biệt số điện môi rắn 14 Ở đoạn nói trên, ta khảo sát tính chất điện môi khí lỏng (không có cấu tạo tinh thể) Trong khối điện môi này, phân tử xếp hỗn độn tham gia chuyển động nhiệt hỗn loạn Còn điện môi rắn nói chung có cấu tạo tinh thể; mạng tinh thể có hình dạng không gian đặn nút mạng nguyên tử hay ion Do cấu tạo vậy, nên điện môi tinh thể có nhiều tính chất khác hẳn với điện môi khí lỏng Nói chung tính chất điện tinh thể phụ thuộc vào yếu tố sau: thành phần cấu tạo (từ nguyên tử trung hòa (liên kết đồng hóa trị) hay từ ion (liên kết ion)), hình dạng mạng tinh thể, khoảng cách nút mạng… Đặc biệt điện môi đơn tinh thể có đặc tính khác theo phương pháp khác (tính dị hướng) Còn điện môi đa tinh thể lại có tính đẳng hướng xếp hỗn độn tinh thể Dưới ta xét số tính chất tượng đặc biệt điện môi rắn a Electret Electret (còn gọi điện châm) chất điện môi có khả giữ trạng thái nhiễm điện lâu tạo điện trường không gian xung quanh Electret chế tạo từ điện môi hữu (parafin, naptalin, ebonit, mica…) vô (CaTiO3, ZnS, CdS, AgCl….), cách làm rắn lại hỗn hợp điện môi từ nhiệt độ dẻo tới nhiệt độ phòng thí nghiệm, điện trường mạnh Khi momen lưỡng cực phần xếp thành hàng; chúng giữ nguyên vị trí sau hỗn hợp hóa rắn điện trường ngắt Electret chế tạo vào năm 1919 Trên mặt electret có điện tích phân cực không đổi quanh electret có tồn điện trường, giống quanh nam châm có từ trường Song, tác dụng điện trường quanh electret bị hạn chế, điện tích tự thường xuyên tồn không khí bị hút phía mặt electret làm trung hòa điện tích phân cực mặt Khi electret bi phóng điện, không gây nên điện trường đáng kể Electret dùng để tạo điện trường không đổi, dùng kĩ thuật điện âm thanh, dụng cụ đo tĩnh điện nhiều ứng dụng khác b.Hiệu ứng hỏa điện Khi nung nóng làm lạnh số điện môi tinh thể, người ta thấy bề mặt điện môi xuất điện tích Hiện tượng gọi hỏa điện, nhà bác học Nga Epinutx phát đầu năm 1756 ông nung tinh thể tuocmalin Hiệu ứng phát nhiều chất K2C4H4O6, (NH4)2C4H4O6, … 15 Khi đó, đầu điện môi nhiễm điện dương nung nóng (hoặc nhiễm điện âm làm lạnh) Mức độ nhiễm điện phụ thuộc tốc độ thay đổi nhiệt độ, thường không vượt 1mC/m2 Hiệu ứng giải thích sau: Trong tinh thể tuocmalin, lưỡng cực phân tử định hướng dọc theo trục tinh thể, tức phân cực chưa có điện trường tác dụng Nhiều hỗn hợp điện môi có phân cực vậy, song ta nhận thấy điện trường chúng tạo nhỏ (giống điện trường electret), chúng bị phóng điện Nhưng ta nung nóng tinh thể tuocmalin dãn nở nhiệt, momen điện khối thay đổi, điện trường tạo thể rõ rệt, nữa, điện tích tự khí không kịp tập hợp lại để làm trung hòa điện tích phân cực mặt khối điện môi Khi đặt chất hỏa điện vào điện trường, ta quan sát hiệu ứng ngược lại, tức nhiệt độ tinh thể bị thay đổi tác dụng điện trường c.Hiện tượng xenhet – điện Hiện tượng xenhet – điện nhà bác học Nga, viện sĩ Kursatov, phát từ năm 1930 khảo sát tỉ mỉ tính chất điện muối xenhet NaKC4H4O6.4H2O Về sau, người ta tìm thấy nhiều chất khác có tính chất tương tự muối xenhet gọi chất chất xenhet – điện, ví dụ KH2PO4, BaTiO3 Mạng tinh thể muối xenhet – điện có tính dị hướng (Hình 13) tính chất điện đặc c biệt phát điện trường có hướng dọc theo trục a tinh thể (được gọi trục điện) Nhìn chung xenhet – điện có đặc tính sau: 1.Trong khoảng nhiệt độ xác định, a chất xenhet – điện có số điện môi lớn, tới 10 000 cao Chẳng hạn lân cận nhiệt độ 120oC, số điện môi bari titanat có giá trị từ 16 000 tới 19 000 b Vectơ phân cực P (do vectơ cảm ứng Hình 13 điện D) phụ thuộc không tuyến tính vào cường độ điện trường, thấy Hình 14 Khi E tăng đến giá trị Eb P đạt giá trị Pbh sau đó, P giữ nguyên giá trị Pbh dù E có tiếp tục tăng: phân cực điện môi xenhet điện đạt tới trạng thái bão hòa Như vậy, với E >Eb, P = const, cảm ứng điện D phụ 16 thuộc tuyến tính vào điện trường Do đó, E < Eb, số điện môi “hằng số” mà hàm điện trường Với chất xenhet điện, có tượng điện trễ, minh họa đồ thị biểu diễn phụ thuộc độ phân cực P vào cường độ điện trường E Hình 15 Khi tăng cường độ điện trường E từ giá trị 0, độ phân cực P khối điện môi tăng cách phi tuyến tính đạt giá trị bão hòa Pbh E=Eb Nếu sau đó, giảm E, E=0 (điện trường ngắt đi) P giữ giá trị Pd khác 0, Pd gọi độ phân cực dư Điều chứng tỏ ngắt điện trường ngoài, chất xenhet điện điện tích phân cực Muốn khử phân cực ta phải tác dụng lên khối xenhet điện điện trường có chiều ngược với chiều điện trường ban đầu, điện trường đạt tới giá trị Ek độ phân cực xenhet điện đi; Ek gọi điện trường khử phân cực (còn gọi độ kháng điện) Nếu cho điện trường thay đổi tuần hoàn, độ phân cực xenhet điện biến thiên theo đường cong kín gọi chu trình điện trễ (như Hình 15) P P Pbh Pbh E -Ek Ek E0 E E0 Hình 14 Hình 15 Các tính chất xenhet điện nói phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ xuất phạm vi nhiệt độ định Với chất xenhet điện, thường có nhiệt độ TC gọi điểm Curie, mà nhiệt độ T > TC tính chất xenhet điện đi, xenhet điện trở thành điện môi thông thường Nói khác đi, tính chất xenhet điện xuất nhiệt độ điểm Curie Bari titanat có điểm Curie 120 oC Nhưng muối xenhet lại có điểm Curie −15oC +22,5oC Điều có nghĩa muối xenhet có tính chất xenhet điện khoảng nhiệt độ từ -15oC đến +22,5oC Nguyên nhân gây nên tính chất xenhet điện giải thích sau Do tương tác đặc biệt mạnh E=0 E a) b) Hình 16 17 nguyên tử phân tử mạng tinh thể chất xenhet điện, nên tồn khối xenhet điện trạng thái phân cực tự phát Do đó, khối điện môi bị chia thành vùng độ phân cực tự phát có hướng có mômen điện lớn điện trường ngoài, vùng gọi đômen Trong điều kiện thông thường, phân cực tự phát ra, đômen xếp định hướng cho mômen điện toàn phần điện môi (Hình 16a) Sự xếp mô men điện đômen ứng với lượng tương tác cực tiểu Khi ta đặt xenhet điện điện trường, hướng vectơ phân cực đômen dần tới vị trí song song với hướng điện trường Sự xếp lại mạnh điện trường lớn (Hình 16b) Kết toàn xenhet điện có mômen điện khác điện môi bị phân cực Các chất xenhet điện có ứng dụng thực tế quan trọng Nhờ việc chế tạo hợp chất điện môi mà thành phần xenhet điện thêm vào tạp chất khác, mà ta tạo tụ điện có kích thước nhỏ, điện dung lớn phẩm chất tốt Các tụ điện xenhet dùng để điều biến tần số (điều tần) tạo dao động điện từ d Hiệu ứng áp điện Thí nghiệm chứng tỏ làm phân cực điện môi số tinh thể không cần điện trường ngoài, mà cách làm biến dạng tinh thể Hiện tượng hai nhà vật lí Jacques Pierre Curie phát vào năm 1880 tinh thể thạch anh (SiO kết tinh) gọi hiệu ứng áp điện Hai ông phát thấy mặt tinh thể thạch anh xuất điện tích trái dấu tác dụng ứng suất học (lực kéo hay nén) lên mặt Độ lớn điện tích tỉ lệ với ứng suất đặt vào, thay đổi dấu theo chiều ứng suất biến tác dụng ngoại lực Với lực nén N mặt đối diện tinh thể thạch anh xuất hiệu điện vào khoảng mV Ngoài thạch anh, hiệu ứng áp điện phát c Ghiện Cở tuocmalin, c đường, muối xenhet, bari titanat, kẽm sunfua Các chất có mạng b tinh thể tâm đối xứng n F m B H D a a b E A 18 b) a) Hình 17 Ta khảo sát chi tiết tượng tinh thể thạch anh, loại tinh thể có cấu trúc lục giác (xem Hình 17a), có trục quang học (trục c) hai trục điện (trục a b) Từ tinh thể ta cắt mỏng có cạnh song song với trục (Hình 17b) Thí nghiệm chứng tỏ rằng: -Khi nén thạch anh dọc theo trục a hai mặt vuông góc với trục (ABCD EFGH) xuất điện tích trái dấu, hiệu ứng áp điện thuận dọc -Khi kéo dãn thạch anh F F dọc trục b mặt vuông góc với trục (EFBA CDHG) xuất điện tích trái dấu, hiệu ứng áp điện thuận ngang F F -Khi kéo nén dọc theo Hình 18 trục c không thấy hiệu ứng áp điện Ngoài hiệu ứng áp điện thuận mà ta nêu (Hình 17) có hiệu ứng áp điện ngược (ngang dọc) Nếu đưa thạch anh vào điện trường E có hướng dọc theo trục a, bị biến dạng dọc theo trục a (hiệu ứng áp điện ngược dọc) mà theo trục b (hiệu ứng áp điện ngược ngang) Hơn nữa, bị căng dãn theo trục a bị co lại theo trục b độ biến dạng tỉ lệ cường độ điện trường đặt vào Khi thay đổi hướng điện trường E đặc trưng biến dạng dọc theo trục a b thay đổi Nếu dán hai kim loại vào mặt thạch anh vuông góc với trục a đặt vào hai hiệu điện xoay chiều thạch anh bị nén dãn cách tuần hoàn (theo phương trục a b), nghĩa thạch anh thực dao động học Sự dao động đặc biệt mạnh tần số biến thiên điện trường tần số dao động riêng thạch anh Ta cần phân biệt hiệu ứng áp điện ngược tượng điện giảo (đã nói đến điểm c đoạn 3), biến dạng khối điện môi nói chung đặt điện trường Trong tượng điện giảo, thay đổi kích thước 19 tinh thể (dài hay ngắn đi) nhỏ, cỡ nanomet hiệu điện đặt vào tinh thể hàng trăm vôn; độ biến dạng tỉ lệ với bình phương cường độ điện trường dấu biến dạng không phụ thuộc vào chiều điện trường, khác với hiệu ứng áp điện Ngoài tượng điện giảo không đòi hỏi cấu trúc điện môi xác định, xảy điện môi lỏng khí, hiệu ứng áp điện quan sát điện môi rắn mà chủ yếu tinh thể Hiệu ứng áp điện thuận ứng dụng rộng rãi kĩ thuật để biến đổi dao động (âm) thành dao động điện (như máy điện thoại, máy thu siêu âm…)… Hiệu ứng áp điện ngược ứng dụng để tạo dao động siêu âm (nguồn phát siêu âm) để ổn định dao động điện từ máy thu phát sóng điện từ… BÀI TẬP Trong khoảng không gian hai kim loại phẳng, rộng, song song có điện trường cường độ E0=200 V/cm, người ta đặt sứ ε = 6, có mặt bên hợp với mặt kim α loại góc α=400 (Hình 19) Hãy tìm: a Góc hợp vecto cường độ điện trường sứ vectơ pháp tuyến với mặt sứ b Độ lớn E mật độ điện tích liên kết mặt sứ Giữa hai mặt trụ kim loại dài, đồng trục có bán kính Hình 19 R1=2 cm R3=2,5 cm có hai lớp điện môi hình trụ Lớp thứ giấy ε1=4, có mặt sát với mặt trụ kim loại R1, bán kính mặt R2=2,3cm, lớp thứ hai thủy tinh ε2=7, có mặt sát với lớp điện môi thứ mặt sát với mặt trụ kim loại Hỏi 20 hiệu điện đặt vào hai mặt trụ kim loại có giá trị bắt đầu có đánh thủng điện môi Biết điện trường đánh thủng giấy Eg=120 kV/cm, với thủy tinh Et=100 kV/cm Giữa hai mặt cầu kim loại đồng tâm mang điện tích +q –q có điện môi lỏng ε, choán đầy nửa khoảng không gian giới hạn hai mặt cầu Xác định cường độ điện trường điểm nằm ngang khoảng hai mặt cầu, cách tâm chung khoảng r Hai tụ điện phẳng hai kim loại diện tích S=50 cm2, đặt cách khoảng d=9 mm, mang điện tích +q –q với q=3,2.10-10 C Khoảng không gian hai bị chiếm đầy chất điện môi có số điện môi phụ thuộc vào tọa độ ε = ε ( x ) (trục x vuông góc với bản) Ở sát dương, số điện môi có trị số ε1=2 sát âm, có trị số ε2=5 a Tìm điện tích liên kết toàn khối điện môi hai b Biết ε ( x ) hàm bậc x Tìm hiệu điện đặt vào tụ điện điện dung tụ điện Một tụ điện trụ dài L, bán kính tương ứng r R Không gian hai lấp ε1 đầy hai lớp điện môi cứng, chiều dày, 2R 2r có số điện môi tương ứng ε1 ε2 (Hình 20) Lớp điện môi ε1 kéo khỏi tụ ε2 điện Tụ điện nối với hai cực nguồn Hình 20 điện có hiệu điện U không đổi Ở thời điểm t = 0, lớp điện môi ε1 bắt đầu kéo khỏi tụ điện với tốc độ không đổi v Giả thiết điện trường tập trung không gian hai bản, bỏ qua ma sát Xét khoảng < t < L/v hãy: a Viết biểu thức điện dung tụ điện theo thời gian t b Tính lực điện tác dụng lên lớp điện môi ε1 thời điểm t c Xác định cường độ chiều dòng điện qua nguồn Một hệ gồm có acquy có suất điện động không đổi E, điện trở nội không đáng kể; tụ điện phẳng hai tụ không khí có điện dung C0; điện môi có số điện môi ε dây dẫn điện trở không đáng kể Ở trạng thái ban đầu, hệ mắc theo Hình 21 R điện môi choán đầy không gian hai ε cực tụ Hệ cân nhiệt với môi trường bên C E Hình 21 21 Người ta rút nhanh điện môi khỏi tụ điện đợi đến hệ trở lại cân nhiệt với môi trường bên Hãy xác định: công mà hệ nhận được, nhiệt mà hệ tỏa biến thành lượng toàn phần hệ trình Biến thiên lượng diễn phần hệ? Bỏ qua động điện môi Trong điện trường đều, cường độ E, người ta E đặt cầu kim loại bán kính R Do cảm R ứng, bề mặt cầu có điện tích với mật độ α điện tích bề mặt σ Tìm phụ thuộc σ vào góc mở α Hình 22 Hình 22 Một tụ điện phẳng có hình vuông cạnh a, cách khoảng d, nhúng ngập bình đựng chất điện môi lỏng, cho mép E sát đáy bình (Hình 23) Bình có diện tích tiết diện ngang S1 đặt mặt bàn nằm ngang Hai nối với nguồn điện có suất điện động E không đổi, a d ε điện trở không đáng kể Chất điện môi có số điện môi ε coi chất lưu lí tưởng Nhờ lỗ có diện tích tiết diện ngang S2 đáy bình, chất điện Hình 23 môi tháo khỏi bình Bỏ qua điện trở dây nối, xác định phụ thuộc cường độ dòng điện mạch vào thời gian, vẽ đồ thị biểu diễn phụ thuộc Lấy gốc thời gian mặt thoáng chất điện môi ngang mép tụ Cho gia tốc trọng trường g ĐÁP SỐ a) β = 78o46’ b) E = 2.104 V/m σj = 1,13.10-7 C/m2 1 R R U max = ε1R1Eg ln + ln = 45000 V ε1 R1 ε R2 q E = 2πε ( ε + 1) r 22 a) q ' = q ( ε1 − ε ) ε1ε b) V1 − V2 = = −0, 96.10 −10 C qd ε ln = 20 V ε S ( ε − ε1 ) ε1 q ε S ( ε − ε1 ) = = 16 pF ε2 c) U d ln ε1 abε abε1ε abε1ε L − a C = ÷vt + aε1 + bε a + bε aε1 + bε 2πε 2πε a= b= R+2 R' ; R ; R' = Với ln ÷ ln ÷ R' ( − ε1 ) 2 U2 b F = ab ε 2 ( a + bε ) ( aε1 + bε ) C= ( − ε1 ) 2 Uv [...]... lực điện tác dụng lên lớp điện môi ε1 ở thời điểm t c Xác định cường độ và chiều dòng điện qua nguồn 6 Một hệ gồm có một acquy có suất điện động không đổi E, điện trở nội không đáng kể; một tụ điện phẳng khi giữa hai bản tụ là không khí thì có điện dung là C0; một tấm điện môi có hằng số điện môi là ε và các dây dẫn điện trở không đáng kể Ở trạng thái ban đầu, hệ được mắc theo Hình 21 R và tấm điện môi. .. (Hình 20) Lớp điện môi ε1 có thể kéo ra được khỏi tụ ε2 điện Tụ điện được nối với hai cực của nguồn Hình 20 điện có hiệu điện thế U không đổi Ở thời điểm t = 0, lớp điện môi ε1 bắt đầu được kéo ra khỏi tụ điện với tốc độ không đổi v Giả thiết điện trường chỉ tập trung trong không gian giữa hai bản, bỏ qua mọi ma sát Xét trong khoảng 0 < t < L/v hãy: a Viết biểu thức điện dung của tụ điện theo thời... hợp này điện trường ngoài E0 là điện trường đều, hướng từ mặt phẳng tích điện dương sang mặt phẳng tích điện âm Dưới tác dụng của điện trường E0, khối điện môi bị phân cực và trên các mặt giới hạn của nó xuất hiện các điện tích trái dấu với mật độ điện tích là +σ ' và −σ ' (không có điện tích liên kết xuất hiện trong khối điện môi) Các điện tích liên kết này tạo ra trong khối điện môi một điện trường... hơn cường độ điện trường trong chân không: Tại c (bên trong điện môi) , cường độ điện trường nhỏ hơn E0, còn tại a và b thì cường độ điện trường thì lớn hơn E0 b Liên hệ giữa vectơ cảm ứng điện D trong điện Hình 12 môi và vectơ phân cưc điện môi P Dựa vào kết quả tổng quát (14) ta cũng tìm được mối liên hệ giữa vectơ cảm ứng điện D thường được dùng để đặc trưng cho điện trường trong điện môi và vectơ... (17) Công thức (17) biểu thị định nghĩa tổng quát của vectơ cảm ứng điện D Thực vậy, cần chú ý rằng các công thức D = εε 0 E và P = ε 0 χ e E chỉ đúng với điện môi đồng nhất và đẳng hướng Còn với điện môi dị hướng, như điện môi tinh thể thì tại mỗi điểm, P và E không cùng hướng, do vậy công thức (15), (6) không áp dụng được, mà phải dùng công thức (17) c.Lực tác dụng lên điện tích đặt trong điện môi. .. Coulomb giữa hai điện tích điểm đặt trong môi trường điện môi nhỏ hơn ε so với đặt trong chân không Trong thực tế vật mang điện có kích thước khác nhau; do đó, việc xác định lực tác dụng lên vật mang điện đặt trong điện môi là khá phức tạp Thật vậy, trong chân không, một điện tích q nhỏ đặt trong điện trường E chịu tác dụng lực xác định theo công thức đơn giản F = qE Thế nhưng trong điện môi, lực tác... dương, hằng số điện môi có trị số ε1=2 và ở sát bản âm, nó có trị số ε2=5 a Tìm điện tích liên kết trong toàn khối điện môi giữa hai bản b Biết ε ( x ) là hàm bậc nhất của x Tìm hiệu điện thế đặt vào tụ điện và điện dung tụ điện 5 Một tụ điện trụ dài L, bán kính các bản tương ứng là r và R Không gian giữa hai bản được lấp ε1 đầy bởi hai lớp điện môi cứng, cùng chiều dày, 2R 2r có hằng số điện môi tương... biến dạng tỉ lệ với bình phương cường độ điện trường và dấu của biến dạng không phụ thuộc vào chiều điện trường, khác với hiệu ứng áp điện Ngoài ra hiện tượng điện giảo không đòi hỏi cấu trúc điện môi xác định, nó xảy ra cả trong điện môi lỏng và khí, trong khi hiệu ứng áp điện chỉ quan sát được trong các điện môi rắn mà chủ yếu là trong tinh thể Hiệu ứng áp điện thuận được ứng dụng rộng rãi trong kĩ... trong điện môi, cường độ điện trường tổng hợp bằng : E = E0 + E ' (12) Vectơ E cùng phương, ngược chiều với vectơ E0, vuông góc với mặt phẳng kim loại tích điện và có độ lớn : E = E0 − E ' (12a) Trong lòng khối điện môi, các điện tích trung hòa nhau, nên E’ có thể tính như cường độ điện trường của hai mặt phẳng rộng vô hạn song song và tích điện với mật độ điện mặt là +σ ' và −σ ' trong chân không,... của chất, vào tính chất điện của phân tử và mật độ phân tử Thực nghiệm đã cho thấy hằng số điện môi của điện môi khí ở điều kiện chuẩn có giá trị từ 1,000074 (khí He) đến 1,00065 (khí N 2), nghĩa là xấp xỉ bằng 1 13 Các điện môi lỏng có hằng số điện môi rất khác nhau Chẳng hạn ở nhiệt độ 20oC nước có ε = 81 , dầu biến thể có ε = 2.24 … Đối với các điện môi rắn, hằng số điện môi có giá trị từ 2 tới