Chuong III Cac qua trinh vat ly 2017 tài liệu, giáo án, bài giảng , luận văn, luận án, đồ án, bài tập lớn về tất cả các...
Chương III: Các q trình vật lý điện mơi Sự phân cực điện mơi Tính dẫn điện điện môi Tổn hao điện môi TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Sự phân cực điện môi a Hằng số điện môi Mỗi chất điện môi (cách điện) đặc trưng số điện môi εr (εr>1) Hằng số điện môi đo lường mức độ phản ứng vật liệu chịu tác động điện trường ngồi Vật liệu Khơng khí Giấy Thủy tinh Nước εr 1,00059 3,7 4-6 80 TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức * Thí nghiệm 1: Tụ điện nối kết với điện áp không đổi Chân không Bắt đầu chèn khối điện môi Khối điện môi chèn hồn tồn Điện tích bề mặt điện cực tăng lên điện môi lấp đầy khe hở cực TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Trước chèn khối điện mơi, tụ điện có điện dung Co tổng điện tích cực Qo Sau chèn khối điện mơi: tụ điện có điện dung C tổng điện tích tăng εr lần từ Qo lên Q (quan sát từ thí nghiệm) Q = ε r Qo = Qo + Q p Q ε r Qo C= = = ε r Co Vo Vo - Điện môi làm tăng điện dung tụ điện tăng lên εr - Điện trường tổng không thay đổi (E = Eo = Vo/d) TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức Câu hỏi thảo luận? Tại điện trường tổng hệ thống không đổi? Điện trường hai cực tăng hay giảm? TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức * Thí nghiệm 2: Tụ điện có điện tích cực khơng đổi Vo Qo εr V Qo Đầu tiên tụ điện nạp đến điện áp Vo, điện tích cực Qo Ngưng nạp ngắt tụ điện khỏi nguồn để giữ điện tích cực Qo khơng đổi Qo Co = Vo TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức Sau chèn khối điện mơi: tụ điện có điện dung C điện áp tụ điện giảm εr lần từ Vo V (quan sát từ thí nghiệm) V= Vo εr Q Qo C= = = ε r Co V Vo / ε r Animation Điện môi làm tăng điện dung tụ điện lên εr lần Điện trường chất điện môi V Vo / ε r Eo E= = = d d εr Điện môi làm giảm cường độ điện trường εr lần TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức * Thí nghiệm 1: điện mơi làm tăng điện tích cực * Thí nghiệm 2: điện môi làm Đều tăng điện dung tụ điện εr lần giảm điện áp hai cực Nguyên nhân: điện môi bị phân cực tác động điện trường (xuất lưỡng cực điện) ⇒ Tăng điện dung TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức b Sự phân cực điện môi Định nghĩa: Phân cực chuyển dịch có giới hạn điện tích liên kết định hướng phân tử lưỡng cực tác dụng lực điện trường Điện tích tự do: di chuyển nguồn cực Điện tích liên kết: khơng di chuyển, phân bố bề mặt điện môi Lưỡng cực điện TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Moment điện lưỡng cực Đại lượng vectơ a -q + p p = qa +q Chiều từ điện tích âm đến điện tích dương Độ lớn xác định công thức p = qa TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức d Điện dẫn điện mơi rắn Điện mơi rắn: tồn dòng điện chạy khối điện môi bề mặt điện mơi → hình thành điện dẫn suất khối điện dẫn suất mặt Cơng thức tổng qt tính điện dẫn suất khối σ v = q ∑ ni µi i TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Đối với điện môi rắn, lượng để di chuyển điện tử khoảng 10 lần lượng để di chuyển ion (Ví dụ: NaCl, lượng dịch chuyển Na+ 0.8eV để dịch chuyển điện tử cần lượng eV) ⇒ điện dẫn ion chiếm ưu Điện mơi rắn có cấu tạo tinh thể ion: điện dẫn ion chuyển dịch ion tác động chuyển động nhiệt - Nhiệt độ thấp: ion tạp chất (điện dẫn tạp chất) - Nhiệt độ cao: ion tạp chất ion mạng tinh thể điện môi (điện dẫn riêng) Điện môi rắn có cấu tạo tinh thể nguyên tử/phân tử: điện dẫn ion chuyển dịch ion tạp chất TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức * Điện dẫn riêng Các ion nút mạng phân cực phân tử, nguyên tử xung quanh Các lưỡng cực tự xếp để ngăn cản chuyển động ion → xuất “rào cản điện thế” xung quanh ion (Wi) “Khiếm khuyết Schottky” → Ion dịch chuyển bề mặt điện môi → “chỗ khuyết” nút mạng Wi Ion dịch chuyển vào chỗ khuyết tạo dòng điện TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Để xuất dòng điện chuyển dịch ion cần phải - Cung cấp lượng tạo “chỗ khuyết” (Ws/2) - Cung cấp lượng để vượt qua rào cản điện Wi Điện dẫn ion tinh thể tạo nên xác định theo công thức thực nghiệm Với: Wσ σ = σ o exp(− ) kT σo: hàm số nhiệt độ thơng số khác phụ thuộc nhiệt độ Wσ: “năng lượng kích thích” (activation energy) = Wi+Ws/2 k: số Boltzmann T: nhiệt độ (K) TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức * Điện dẫn tạp chất Ví dụ: PVC tồn ion sau: H3O+, Na+, K+, OH, Br-… Tổng quát, điện mơi rắn tồn phân tử AB có khả phân ly thành ion A+ B+ − (1 − f ) N o → fN o fN o AB ↔ A + B Nồng độ sau phân ly No: nồng độ phân tử AB trước phân ly f: tỉ lệ phần phân tử bị phân ly Ở trạng thái cân bằng, hệ số phân ly theo định luật “tác dụng khối lượng” tính: f N o2 C A+ C B− f2 K= = = No (1 − f )N o − f C AB TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Quá trình phân ly kích hoạt nhiệt lượng nên hệ số phân ly K xác định: Wd K = K o exp − ε r kT Ko: số Wd: lượng phân ly Khi mức độ phân ly thấp f 100 kV/cm) Xuất dòng điện điện tử hiệu ứng Poole-Frenkel→ ngồi điện dẫn ion, điện mơi có điện dẫn điện tử E Vùng dẫn E c Rào cản điện E=0 ∆φ = β PF E 1/ Rào cản điện E>0 φ + Mức lượng tạp chất có khả cho điện tử Vùng hóa trị TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức Điều kiện xuất điện tử tự o Điện trường cao → xuất hiệu ứng Poole-Frenkel → giảm giá trị cực đại rào cản điện lượng ∆φ phía ngược chiều điện trường o Điện mơi chứa tạp chất có khả cho điện tử có mức lượng nằm vùng cấm thấp vùng dẫn nhiều o Dưới tác động lượng nhiệt, điện tử dễ dàng chuyển từ mức tạp chất sang vùng dẫn → điện tử tự → điện dẫn điện tử Điện dẫn điện tử xác định: β PF E 1/ σ = σ o exp 2kT Với 1/ q φ σ o = f exp − ; β PF = Hằng số Poole-Frenkel 2kT πε TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức * Điện dẫn mặt (đọc tài liệu) Phụ thuộc lớn vào tình trạng bề mặt điện mơi điều kiện môi trường Các biện pháp nâng cao điện trở suất mặt TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức e Điện dẫn điện môi lỏng * Khái niệm chung Tồn hai loại điện dẫn: điện dẫn ion điện dẫn điện di Đối với điện môi lỏng tinh khiết: điện dẫn ion thân điện môi Đối với điện môi lỏng kỹ thuật: điện dẫn ion thân điện môi, điện dẫn ion tạp chất điện dẫn điện di Điện dẫn điện môi lỏng tỉ lệ với cường độ điện trường nhiệt độ Phụ thuộc vào cực tính điện môi, điện dẫn tăng số điện môi tăng Dầu cách điện mới: σ = 10-13-10-14 (S/cm) Dầu cách điện tinh khiết: σ = 10-19 (S/cm) TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức * Đặc tính Volt-Ampere Dầu cũ, I Dầu cũ Dầu tinh khiết -U < Uth: I tăng tuyến tính (điện dẫn ion) - U > Uth: I tăng nhanh dẫn đến phóng điện (điện dẫn điện di, trình phân ly tăng, hiệu ứng schottky, trình ion hóa) Dầu tinh khiết Uth U - Xuất giai đoạn bảo hòa (tất ion sinh qua trình phân ly di chuyển hết điện cực) TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức * Điện dẫn ion điện môi lỏng kỹ thuật Chứa tạp chất Phân tử tạp chất dễ phân ly phân tử điện môi → điện dẫn ion tạp chất chiếm ưu Khi nhiệt độ tăng, độ nhớt điện môi giảm → ion dễ di chuyển → điện dẫn tăng Điện dẫn ion tính theo công thức: Wd q 1 1 W σ + exp − + 2ε kT kT 6πηo r r − + r ( K oN o ) σ= 1/ 2 Với: No: nồng độ tạp chất phân ly ηo: độ nhớt To r+, r-: bán kính ion dương âm TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức * Điện dẫn điện di điện môi lỏng kỹ thuật Do chuyển động phần tử mang điện tích tác dụng điện trường bên ngồi Tạp chất điện mơi lỏng kỹ thuật: giọt nước, sợi cellulose, acid, hạt keo, hạt kim loại… Do chuyển động nhiệt phân tử tạp chất ma sát với phân tử điện môi → bị nhiễm điện εtc>εđm: tạp chất nhiễm điện dương, ngược lại nhiễm điện âm Điện dẫn điện di tính theo công thức: σ= KNr 3ε r2 E η Với: N: mật độ hạt tạp chất r: bán kính hạt tạp chất (xem hình cầu) 2π 5ε o2 K= 27 TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức ... tích cực Qo Sau chèn khối điện môi: tụ điện có điện dung C tổng điện tích tăng εr lần từ Qo lên Q (quan sát từ thí nghiệm) Q = ε r Qo = Qo + Q p Q ε r Qo C= = = ε r Co Vo Vo - Điện môi làm tăng điện... hình thức Sau chèn khối điện mơi: tụ điện có điện dung C điện áp tụ điện giảm εr lần từ Vo V (quan sát từ thí nghiệm) V= Vo εr Q Qo C= = = ε r Co V Vo / ε r Animation Điện môi làm tăng điện... Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức c Tương quan số điện môi cường độ phân cực Vectơ cảm ứng điện D - Chân không Do = ε o Eo - Điện mơi: điện