3 dien moi

1
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

2
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

3
Điện tích liên kết có thể vẫn tồn
tại ngay cả sau khi 00 =E
r
Xuất hiện phân bố điện tích liên
kết ở một số vùng trên bề mặt ⇒
mật độ điện tích liên kết mặt σ’.
'0 EEE
rrr
+=
0E
r
0'
≠E
r
0≠E
r
Điện môi
Hình thành điện trường phụ '
E
r
ngược chiều 0E
r
Vật dẫn trở lại trạng thái trung
hòa điện khi 00 =E
r
Xuất hiện phân bố các điện
tích tự do trên toàn bộ bề mặt ⇒
mật độ điện mặt σ.
0E
r
0=E
r
Vật dẫn
⇒ hiệu ứng Màn chắn tĩnh điện
không thể xuyên qua vật dẫnE
r

4
Mô hình phân cực nguyên tử
Nguyên tử bị phân cực điện ⇔ lưỡng cực điện, với là vector hướng từ
trọng tâm “đám mây điện tử “ đến hạt nhân nguyên tử.
d
r
+
⎯
dqpe
rr
=
+
⎯⎯
⎯⎯
⎯ ⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯⎯
⎯ ⎯
Nguyên tử có điện tử liên kết chặt với hạt nhân ⇒ phân bố điện tích đối
xứng ⇒ trung hòa về điện.
Điện trường ngoài : Điện tử di chuyển ngược chiều trường ngoài ⇒ hình
thành một “đám mây” điện tử lệch về một phía mà tâm của nó không trùng
với hạt nhân nguyên tử ⇒ nguyên tử bị phân cực điện.
0E
r
+
⎯
⎯
⎯ ⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
0E
r
⎯
+
-q+q
d
pe
0E
r

5
Ví dụ: H2O, NH3, HCL, CH3Cl...
Điện trường ngoài không ảnh hưởng đến độ lớn của ⇒ phân tử là lưỡng
cực cứng.
ep
r
0=ep
r
00 =E
r
khi 0≠ep
r
00 ≠E
r
khivà
⎯
+
-q+q
d
pe
0E
r
0≠ep
r
Phân tử có phân bố điện tích không đối
xứng ⇒ trọng tâm điện tích (+) và (-) cách
nhau một khoảng khi . , nghĩa là:d
r
00 =E
r
⎯
+
-q+q
d
pe
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
Epe
rr
..αε=Có:
với α: độ phân cực phân tử, ∈ thể tích phân tử

6
Các dạng phân cực điện môi
Điện môi cấu tạo bởi các phân tử tự phân cực: Phân cực định hướng
Hình thành lớp điện tích tại bề mặt điện môi ⇒ không phải là điện tích
tự do mà là điện tích liên kết.
Khi có trường ngoài ⇒ các quay dần theo phương trường ngoài cho
đến khi toàn bộ các có phương trùng phương trường ngoài
eip
r
0≠⇒ ∑i
eip
r
eip
r
00 ≠E
r
00 ≠E
r
0,0 ≠≠ ∑i
eiei pp
rr
00 =E
r
0,0 =≠ ∑i
eiei pp
rr
Khi không có trường ngoài ⇒ từng phân tử có nhưng mỗi
có phương ngẫu nhiên
0≠eip
r
0=⇒ ∑i
eip
r eip
r

7
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 điện
tích (+) và (-) trùng nhau
0=eip
r
0=⇒ ∑i
eip
r
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 cùng
phương trường ngoài
0≠eip
r
0≠⇒ ∑i
eip
r
Khối tinh thể được coi là như
một phân tử khổng lồ có các
mạng i-ôn (+) và (-) đan xen
nhau.
Điện môi có cấu trúc tinh thể: Phân cực i-ôn

8
V
d
Điện môi có cấu trúc tinh thể: Phân cực i-ôn
Cấu trúc tinh thể NaCl
+
Na+
+
Cl-
d
0≠ngoàiE
r
0≠eip
r
Đối với cả 3 loại điện môi ⇒ sự phân cực biến mất khi bỏ đi điện trường ngoài.

9
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
ei
e
Δ
=
∑=1
r
r
Enpn
V
pn
P ei
ei
e
rr
rr
αε==
Δ
= 000
.
Có:
EP ee
rr
χε= 0Hay: (χe: Độ cảm điện môi)
0≠E
r
mọi phân tử đều có cùng eip
r
khi
Pe
E
Pbh
Điện môi tự phân cực
Điện môi không phân tự cực và điện môi tinh thể
đủ lớn ⇒
eP
r
đạt trạng thái bão hòaE
r
kT
pn e
e
0
2
0
3
.
ε
χ =thấp ⇒ E
kT
pn
P e
e
rr
3
. 2
0
= vớiE
r

10
10
Điện tích trên ΔS = ±σ’.ΔS
Vector phân cực điện môi và mật độ điện mặt liên kết
⇒σ’= Pe.cosα = Pen
+σ’-σ’
ΔS
d
+-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
E
r eP
r
n
r
α
Mật độ điện mặt các điện tích liên kết của khối điện môi có giá trị bằng
hình chiếu của vector phân cực trên pháp tuyến của mặt giới hạn đó.
Trong đó: dSp
n
i
ei .'.
1
Δ=∑=
σ ΔV = ΔS.d.cosαvà
α
σ
=
αΔ
Δσ
=
cos
'
cos..
.'.
dS
dS
Pe
Vì thế:
Đơn vị của Pe: C/m2
V
p
PP
n
i
ei
ee
Δ
==
∑=1
r
có:

11
Cường độ điện trường trong chất điện môi
0E
r
σ’ +σ’
σ’ +σ’
E
r
σ’ +σ’
σ’ +σ’
'E
r
0E
r
'0 EEE
rrr
+=Điện trường tổng hợp trong chất điện môi:

12
Cường độ điện trường trong chất điện môi
Chiếu theo chiều của có:0E
r
E = E0 - E’
σ’ +σ’
'E
r
0E
r
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’ = Pen = ε0χeEn = ε0χeEvới:
E’ =χeE
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+
= 00
1
EE
E
e
E = E0 - χeE hay:
ε =1+χ0 là hằng số điện môi, đặc
trưng cho tính chất của môi trường

13
Điện cảm trong chất điện môi
có: ED
rr
εε= 0
ε = 1 +χe
( )
e
e
e
PE
EE
ED
rr
rr
rr
+ε=
=χε+ε=
=χ+ε=
0
00
0 1
Điện cảm trong môi trường
không đồng nhất, không cùng
phương, cùng chiều với
D
r
E
r
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,
đẳng hướng Tuyến tính
Phi tuyến

14
3. Điện trường trong điện môi
Đường sức điện trường qua mặt phân cách 2 môi trường
0E
r
1'E
r
2'E
r
E2n
E1t
E2t
E1n
Trên các mặt giới hạn xuất hiện
các điện tích liên kết ⇒ xuất hiện
các điện trường phụ và (⊥
mặt phân cách).
1'E
r
2'E
r
Điện trường đi qua mặt phân
cách hai môi trường có hằng số điện
môi ε1 và ε2.
0E
r
Điện trường tổng hợp trong các
lớp điện môi:
101 'EEE
rrr
+=
202 'EEE
rrr
+=
Chiếu lên phương pháp tuyến và tiếp tuyến, có:
nnn EEE 101 '+=
ttt EEE 101 '+=
nnn EEE 202 '+=
ttt EEE 202 '+=
và

15
Đường sức điện trường qua mặt phân cách 2 môi trường
0E
r
1'E
r
2'E
r
E2n
E1t
E2t
E1n
Vì: E’1t = E’2t = 0
E1t = E2t
Thành phần tiếp tuyến của vector
cường độ điện trường tổng hợp biến
thiên liên tục khi đi qua mặt phân
cách 2 lớp điện môi.
Mặt khác: E’1n = χe1E1n
E’2n = χe2E2n
( ) 10101 /1/ ε=χ+= nenn EEE
( ) 20202 /1/ ε=χ+= nenn EEE nn EE 2211 ε=ε ⇒ nn EE 2
1
2
1
ε
ε
=
Thành phần pháp tuyến của vector cường độ điện trường tổng hợp biến
thiên không liên tục khi đi qua mặt phân cách 2 lớp điện môi.
Đường sức điện trường là không liên tục khi đi qua mặt phân cách

16
Đường sức điện cảm qua mặt phân cách 2 môi trường
0E
r
1'E
r
2'E
r
D2n
D1t
D2t
D1n
1D
r
2D
r
có: 101 ED
rr
εε=
202 ED
rr
εε=
Chiếu lên phương tiếp tuyến, có:
D1t = ε0ε1E1t
D2t = ε0ε2E2t
Vì: E1t = E2t nên: tt ED 2
2
1
1
ε
ε
=
Thành phần tiếp tuyến của vector cảm ứng điện biến thiên không liên
tục khi đi qua mặt phân cách 2 lớp điện môi.

17
Đường sức điện cảm qua mặt phân cách 2 môi trường
0E
r
1'E
r
2'E
r
D2n
D1t
D2t
D1n
1D
r
2D
r
Chiếu lên phương pháp tuyến, có:
D1n = ε0ε1E1n
D2n = ε0ε2E2n
Vì: nn EE 2211 ε=ε
D1n = D2n
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:
dSD
S
ne ∫=Φ
)(
Đường sức cảm ứng điện đi liên tục trong các môi trường điện môi

18
Công thức: KNaC4H4O6·4H2O
Trong suốt hoặc vàng nhạt;
Dễ dàng tan trong nước;
Cấu trúc orthorhombic;
Điện môi Séc-nhét (Seignette)
Tinh thể muối Séc-nhét
Tính chất vật lý:
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.
Trọng lượng riêng = 1.79;
Nhiệt độ nóng chảy = 75 °C.

19
Nhóm điện môi Séc-nhét (tự nhiên)
Tourmaline: Ca,K,Na (Al,Fe,Li,Mg,Mn)3;
Quartz: SiO2;
Tinh thể đường
Topaz: Al2SiO4(F,OH)2;
Hằng số điện môi (ε) của các Séc-nhét
phụ thuộc vào Engoài.
P
E0
Ps
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

20
P
E0
Pr
Ec
Khi Engoài giảm → 0 ⇒ vật liệu vẫn
còn bị phân cực ⇒ có P = Pr: hiện
tượng phân cực dư hay điện trễ
(hysteresis).
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
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.

21
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.

22
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 (Ps).
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 Pr.
Đảo chiều và tăng E = - Ec
véctơ phân cực của từng miền
trở lại vị trí như ban đầu ⇒
véctơ phân cực tổng cộng = 0.
Cơ chế hiện tượng trễ

23
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 (-Ps) lần nữa (đối xứng
với Ps qua gốc 0).
Nếu đưa Engoài → 0 ⇒ lại tạo
ra hiện tượng phân cực dư (trị Pr)
và P = 0 khi E = Ec cũng như
tiếp tục đạt giá trị Ps ban đầu khi
tăng dần E ⇒ tạo thành chu trình
kín.
Cơ chế hiện tượng trễ

24
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)
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.
Muối NaKC4H4O6.4H2O chỉ có tính chất sắt điện với
15 0C < T < 22 0C ⇒ có 2 điểm Curie, Tc = -15 0C và 22 0C.
Vật liệu sắt điện tổng hợp
BaTiO3
PZT
AlN

25
Hiệu ứng áp điện (piezoelectric effect)
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 thể
thạch 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

26
Hiệu ứng áp điện (piezoelectric effect)
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),…

3 dien moi

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Viewers also liked

Viewers also liked (14)

Similar to 3 dien moi

Similar to 3 dien moi (20)

3 dien moi