O 2+ NH4 = 2H2 + N2 2 +2 H2 = 2 H
3.1 Các quá trình vật lý trong điệnmơi và các tính chất của chúng 1 Sự phân cực của điện mơ
Tính chất quan trọng bậc nhất của điện mơi là khả năng phân cực của nĩ dưới tác dụng của điện trường ngồi. Hiện tượng phân cực là sự thay đổi vị trí trong khơng gian của những thành phần mang điện và hình thành moment điện.
Trạng thái của điện mơi dưới tác dụng của điện trường ngồi cĩ thể biểu thị qua véctơ phân cực (hay cường độ phân cực) P→. Dưới tác dụng của P→ xảy ra sự thay
đổi vị trí trật tự trong khơng gian của điện tích phân tử điện mơi.
Xét thể tích điện mơi trong tụ phẳng(H3.1), ta cĩ cường độ điện trường E =
h U
(V/m)
- Ở điện mơi tuyến tính thì P→ quan hệ tuyến tính với
→E E → → =K E P Eε0. (C/m2).
KE hệ số phân cực của điện mơi
-Ở điện mơi đẳng hướng P→ song song với E→
-Ở điện mơi dị hướng: quan hệ giữa P→ và E→ ở dạng tenxơ.
-Ở điện mơi khơng tuyến tính (như xec-nhet điện) khơng cĩ tỉ lệ tuyến tính giữa
P→ và E→.
Ngồi P→ và E→ cịn cĩ đại lượng vectơ khác, đĩ là vectơ cảm ứng điện D→ ( vectơ điện cảm D→ ): P E D→ =ε0.→+ → Với →P =KEε0.→E
Và gọi ε =1+KE ≥1 là hệ số điện mơi tương đối của vật liệu Ta cĩ: D→ =ε.ε0E→
Dịng vectơ điện cảm D→ qua bề mặt kép kín bao quanh một thể tích nào đĩ sẽ bằng tổng điện tích tự do cĩ trong thể tích đĩ.
∫ D .ds = ∑ qtd
Giá trị D→ ở mọi điểm trong điện mơi là như nhau (D→cĩ cùng đơn vị với P→ là
C/m2). Tham số xác định khả năng hình thành điện dung là hệ số điện mơi ε, ε
phản ánh tính chất của vật chất trong một khối lượng (thể tích) đủ lớn, nhưng khơng phản ánh tính chất của từng nguyên tử hay phân tử của vật chất.
Bản chất vật lý của sự phân cực điện mơi
Phân tử của bất kỳ vật chất nào của điện mơi cũng cĩ cấu tạo từ những thành phần riêng biệt (nguyên tử, ion), mỗi thành phần cĩ điện tích xác định dương hoặc âm. Lực liên kết giữa các điện tích xác định tính chất cơ học của vật chất. Tổng đại số của tất cả các điện tích trong phân tử của bất kỳ vật chất nào đều bằng 0, nhưng vị trí khơng gian điện tích trong phân tử của vật chất khác nhau sẽ khác nhau. Nếu thay tất cả các điện tích dương và điện tích âm bằng một điện tích dương và một điện tích âm tương đương và vị trí trọng tâm của từng điện tích dương riêng và âm riêng thì trọng tâm của các điện tích dương và âm này cĩ thể trùng nhau hoặc khơng trùng nhau.(H3.2)
Phân tử, trong đĩ tâm của các điện tích dương và điện tích âm trùng nhau gọi là khơng phân cực. Phân tử, trong đĩ tâm của các điện tích dương và âm khơng trùng nhau mà cách nhau một khoảng cách l gọi là phân cực (hay lưỡng cực).
Ví dụ: CH4 là phân tử khơng phân cực; CH3Cl là phân tử phân cực.(H3.3) Các phân tử lưỡng cực được đặc trưng bởi moment lưỡng cực
→
p = Q.→l
Hình 3.3 Phân tử lưỡng cực và momen lưỡng cực →p
Tính cĩ cực cĩ thể đánh giá theo cấu tạo hĩa học của phân tử. Ngược lại bằng thực nghiệm cĩ thể xác định được p, từ đĩ đưa ra kết luận về cấu trúc của phân tử. Những phân tử gồm một nguyên tử He, Ne, Ar hoặc 2 nguyên tử giống nhau (H2, N2, Cl2) là khơng phân cực. Cịn liên kết ion gồm 2 hay nhiều loại như KCl, HCl là loại cĩ cực tính mạnh.
Vậy: phân cực là sự sắp xếp cĩ trật tự trong khơng gian của các điện tích. Dưới tác dụng của điện trường ngồi các điện tích chuyển động cĩ giới hạn trong điện mơi và hình thành momen điện ở tất cả thể tích điện mơi.
Phân loại điện mơi
Điện mơi cĩ thể chia làm 3 loại:
+Loại điện mơi cĩ cực (lưỡng cực): là điện mơi gồm các phân tử lưỡng cực. +Loại điện mơi khơng cực (trung hịa): là điện mơi gồm các phân tử khơng phân cực.
Hình 3.2 Trọng tâm điện tích dương và âm cĩ thể trùng nhau hoặc khơng trùng nhau
+Loại xec-nhet điện (chất sắt điện): Là điện mơi cĩ tính phân cực tự phát. Nĩ cĩ cấu trúc miền (đơmen): gồm những miền lớn cĩ phân cực tự phát, xuất hiện do ảnh hưởng của các quá trình trong điện mơi. Hướng của các momen điện của các miền khác nhau và tổng phân cực trong điện mơi bằng 0.
Sự phân cực chuyển dịch và phân cực định hướng trong chất khí
*Phân cực chuyển dịch
Là sự phân cực trong đĩ cĩ sự chuyển dịch các điện tử so với hạt nhân của nguyên tử dưới tác động của điện trường ngồi (cịn gọi là phân cực điện tử). Sự chuyển dịch này cĩ tính chất đàn hồi, cĩ sự biến dạng các lớp vỏ điện tử của nguyên tử và ion. Thời gian xác lập các phân cực điện tử khơng đáng kể 10-15s, nên được coi là tức thời. Khả năng phân cực của các điện tử khơng phụ thuộc vào nhiệt độ, nhưng lại giảm khi nhiệt độ tăng vì sự giãn nở nhiệt của điện mơi và do số lượng các hạt trong đơn vị thể tích bị giảm.
* Phân cực định hướng
Phân tử lưỡng cực nằm trong dao động nhiệt hỗn loạn một phần được định hướng dưới tác dụng của điện trường ngồi. Phân cực định hướng cĩ thể xảy ra nếu lực phân tử khơng cản trở lưỡng cực định hướng theo điện trường.
Tăng nhiệt độ thì lực phân tử giảm làm tăng phân cực lưỡng cực. Tuy nhiên khi nhiệt độ quá cao sẽ làm tăng chuyển động nhiệt của phân tử tức là làm giảm ảnh hưởng định hướng của trường.
Sự phụ thuộc của hệ số điện mơi ε vào nhiệt độ T trong trường hợp phân cực chuyển dịch và phân cực định hướng được trình bày trên hình vẽ sau:
Hiện tượng phân cực trong chất lỏng và chất rắn
* Hiện tượng phân cực trong chất lỏng
Sự xoay chuyển của lưỡng cực theo hướng của điện trường E trong mơi trường cĩ độ nhớt cần phải vượt qua một số cản trở. Vì thế phân cực lưỡng cực trong chất lỏng gắn liền với tổn thất năng lượng. Trong mơi trường cĩ độ nhớt cao, sự cản trở đối với sự xoay của phân tử lớn tới nỗi khi điện trường biến thiên nhanh, các lưỡng cực khơng thể xoay kịp theo hướng của nĩ và phân cực lưỡng cực khi tần số gia tăng hồn tồn biến mất.
* Hiện tượng phân cực trong chất rắn
Phân cực một cách tức thời, đàn hồi, khơng phát tán năng lượng
-Phân cực điện tử (hay phân cực chuyển dịch) quan sát thấy ở mọi điện mơi, hồn thành trong thời gian ngắn 10-15s (cĩ thể so sánh với chu kỳ ánh sáng).
-Phân cực ion: Đặc trưng cho vật rắn cĩ cấu tạo ion và được xác định bởi sự chuyển dịch đàn hồi các ion liên kết. Thời gian xác lập của phân cực ion là 10-13 s. Khi nhiệt độ tăng, khoảng cách giữa các ion tăng, lực đàn hồi yếu đi làm phân cực ion tăng.
Phân cực tăng giảm một cách chậm chạp kèm theo sự phát tán năng lượng
-Phân cực lưỡng cực chậm: Các phân tử lưỡng cực ở trạng thái chuyển động nhiệt hỗn loạn được định hướng một phần dưới tác dụng của điện trường, do đĩ đưa đến sự phân cực. Khi nhiệt độ tăng, trị số phân cực tăng đến khi chuyển động nhiệt hỗn loạn trở nên mạnh hơn thì phân cực giảm.
-Phân cực ion chậm: Các ion cĩ liên kết yếu, trong khi dịch chuyển theo chuyển động nhiệt hỗn loạn cịn nhận thêm các dịch chuyển thừa theo hướng của điện trường. Tăng dần theo nhiệt độ.
-Phân cực điện tử chậm: Xuất hiện do các điện tử thừa bị kích thích bởi nhiệt độ.
-Phân cực kết cấu: Xảy ra trong chất rắn cĩ cấu tạo khơng đồng nhất, xuất hiện ở tần số thấp, gây tổn thất năng lượng lớn.
-Phân cực tự phát: Tồn tại ở điện mơi xec-nhet điện, vật chất cĩ từng vùng với momen điện riêng khi khơng cĩ điện trường. Đặc điểm là đạt giá trị bão hịa, gây tổn thất năng lượng lớn, hệ số điện mơi phụ thuộc vào điện trường.(H3.5)
Hình 3.5 Hệ số điện mơi phụ thuộc vào cường độ điện trường, điểm Quiri là điểm cực đại khi phân cực tự phát của BaTiO3.