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 ⇒ mấtphân bố điện tích đối xứng.

Chất điện môi: Điện tử liên kết chặtvới hạt nhân nguyên tử ⇒ phân bố điệntích đối xứng ⇒ khó tự do di chuyểnsuốt qua toàn bộ thể tích.

Do điện trường thanh giảm theokhoảng cách với vật ⇒ lực hút sẽ lớnhơn lực đẩy ⇒ vật bị hút về thanh tíchđiện.

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

1. Sự phân cực trong chất điện môiHiện tượng phân cực điện môi

Điện tích liên kết có thể vẫn tồntại ngay cả sau khi 00 =E

r

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

'0 EEErrr

+=

0Er

0' ≠Er

0≠Er

Điện môi

Hình thành điện trường phụ 'Er

ngược chiều0Er

Vật dẫn trở lại trạng thái trunghòa điện khi 00 =E

r

Xuất hiện phân bố các điệntích tự do trên toàn bộ bề mặt ⇒mật độ điện mặt σ.

0Er

0=Er

Vật dẫn

⇒ hiệu ứng Màn chắn tĩnh điệnkhông 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 từtrọng tâm “đám mây điện tử “ đến hạt nhân nguyên tử.

dr

+

⎯

dqpe

rr=

+⎯⎯⎯⎯

⎯ ⎯

⎯

⎯

⎯

⎯

⎯⎯

⎯ ⎯

Nguyên tử có điện tử liên kết chặt với hạt nhân ⇒ phân bố điện tích đốixứng ⇒ trung hòa về điện.

Điện trường ngoài : Điện tử di chuyển ngược chiều trường ngoài ⇒ hìnhthành một “đám mây” điện tử lệch về một phía mà tâm của nó không trùngvới hạt nhân nguyên tử⇒ nguyên tử bị phân cực điện.

0Er

+⎯

⎯⎯ ⎯

⎯ ⎯

⎯

⎯

⎯⎯

⎯⎯

⎯⎯

0Er

⎯+-q+q

d

pe

0Er

5


Ví dụ: H2O, NH3, HCL, CH3Cl...

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

epr

0=epr 00 =Er

khi 0≠epr 00 ≠Er

khivà

⎯+-q+q

d

pe

0Er

0≠epr

Phân tử có phân bố điện tích không đốixứng ⇒ trọng tâm điện tích (+) và (-) cáchnhau một khoảng khi . , nghĩa là:d

r00 =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 môiĐiện 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 tíchtự do mà là điện tích liên kết.

Khi có trường ngoài ⇒ các quay dần theo phương trường ngoài chođến khi toàn bộ các có phương trùng phương trường ngoài

eipr

0≠⇒∑i

eipreipr

00 ≠Er

00 ≠Er

0,0 ≠≠ ∑i

eiei pp rr

00 =Er

0,0 =≠ ∑i

eiei pp rr

Khi không có trường ngoài ⇒ từng phân tử có nhưng mỗicó phương ngẫu nhiên

0≠eipr

0=⇒∑i

eipreipr

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 điệntích (+) và (-) trùng nhau

0=eipr

0=⇒∑i

eipr

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

0≠eipr

0≠⇒∑i

eipr

Các dạng phân cực điện môi


Khối tinh thể được coi là nhưmột phân tử khổng lồ có cácmạng i-ôn (+) và (-) đan xennhau.

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≠ngoàiEr

0≠eipr

1. Sự phân cực trong chất điện môiCác dạng phân cực điện môi

Đối với cả 3 loại điện môi ⇒ sự phân cực biến mất khi bỏ đi điện trường ngoài.

9

2. Vector phân cực điện môiĐịnh nghĩaĐại lượng vật lý đo bằng tổng lưỡng cực điện của cácphân tử có trong một đơn vị thể tích của khối điện môi

V

pP

n

iei

e Δ=∑=1

rr

EnpnVpnP ei

eie

rrrr

αε==Δ

= 000.

Có:

EP ee

rrχε= 0Hay: (χe: Độ cảm điện môi)

0≠Er

mọi phân tử đều có cùng eiprkhi

Pe

E

PbhĐiện môi tự phân cực

Điện môi không phân tự cực và điện môi tinh thể

đủ lớn⇒ePrđạt trạng thái bão hòaE

rkTpn e

e0

20

3.

εχ =thấp ⇒ E

kTpnP e

e

rr

3. 2

0= vớiEr

1010

Điện tích trên ΔS = ±σ’.ΔS

2. Vector phân cực điện môiVector phân cực điện môi và mật độ điện mặt liên kết

⇒σ’= Pe.cosα = Pen

+σ’-σ’ΔS

d

+-----

-+

++

++

+Er eP

r

nrα

Mật độ điện mặt các điện tích liên kết của khối điện môi có giá trị bằnghình chiếu của vector phân cực trên pháp tuyến của mặt giới hạn đó.

Trong đó: dSpn

iei .'.

1

Δ=∑=

σ ΔV = ΔS.d.cosαvà

ασ

=αΔ

Δσ=

cos'

cos...'.

dSdSPeVì thế:

Đơn vị của Pe: C/m2

V

pPP

n

iei

ee Δ==∑=1r

có:

11

Cường độ điện trường trong chất điện môi

0Er

σ’ +σ’

σ’ +σ’

Er

σ’ +σ’

σ’ +σ’

'Er

0Er

'0 EEErrr

+=Điện trường tổng hợp trong chất điện môi:


12

3. Điện trường trong chất điện môiCường độ điện trường trong chất điện môi

Chiếu theo chiều của có: 0Er

E = E0 - E’

σ’ +σ’

'Er

0Er

E’ là điện trường gây bởi 2 mặtphẳng vô hạn mang điện tích trái dầuvới mật độ -σ’ và +σ’, và:

E’ =σ’ /ε0

σ’ = Pen = ε0χeEn = ε0χeEvới:E’ =χeE

Cường độ điện trường trong chấtđiện môi đồng chất và đẳng hướnggiảm đi ε lần so với cường độ điệntrường trong chân không.

Chân không Điện môi

σ’ +σ’ε=

χ+= 00

1EEE

e

E = E0 - χeE hay:

ε =1+χ0 là hằng số điện môi, đặctrưng cho tính chất của môi trường

13

Điện cảm trong chất điện môi

có: EDrr

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 trườngkhông đồng nhất, không cùngphương, cùng chiều với

Dr

Er

Đường sức trường qua mặt phân cách 2 môi trường

Đường sức điện cảm không giánđoạn khi qua mặt phân cách 2 môitrường.

Đường sức điện trường gián đoạnkhi qua mặt phân cách 2 môi trường.

Môi trường đồng nhất, đẳng hướng Tuyến tính

Phi tuyến

14

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

0Er

1'Er

2'Er

E2n

E1t

E2t

E1nTrên các mặt giới hạn xuất hiện

các điện tích liên kết ⇒ xuất hiệncác điện trường phụ và (⊥mặt phân cách).

1'Er

2'Er

Điện trường đi qua mặt phâncách hai môi trường có hằng số điệnmôi ε1 và ε2.

0Er

Điện trường tổng hợp trong cáclớp điện môi:

101 'EEErrr

+=

202 'EEErrr

+=

Chiếu lên phương pháp tuyến và tiếp tuyến, có:

nnn EEE 101 '+=

ttt EEE 101 '+=nnn EEE 202 '+=

ttt EEE 202 '+=và

15

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

0Er

1'Er

2'Er

E2n

E1t

E2t

E1n

Vì: E’1t = E’2t = 0

E1t = E2tThành phần tiếp tuyến của vector

cường độ điện trường tổng hợp biếnthiên liên tục khi đi qua mặt phâncách 2 lớp điện môi.

Mặt khác: E’1n = χe1E1nE’2n = χe2E2n

( ) 10101 /1/ ε=χ+= nenn EEE

( ) 20202 /1/ ε=χ+= nenn EEE nn EE 2211 ε=ε ⇒ nn EE 21

21 ε

ε=

Thành phần pháp tuyến của vector cường độ điện trường tổng hợp biếnthiên 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

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

0Er

1'Er

2'Er

D2n

D1t

D2t

D1n

1Dr

2Dr

có: 101 EDrr

εε=

202 EDrr

εε=

Chiếu lên phương tiếp tuyến, có:

D1t = ε0ε1E1tD2t = ε0ε2E2t

Vì: E1t = E2t nên: tt ED 22

11 ε

ε=

Thành phần tiếp tuyến của vector cảm ứng điện biến thiên không liêntục khi đi qua mặt phân cách 2 lớp điện môi.

17

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

0Er

1'Er

2'Er

D2n

D1t

D2t

D1n

1Dr

2Dr

Chiếu lên phương pháp tuyến, có:

D1n = ε0ε1E1nD2n = ε0ε2E2n

Vì: nn EE 2211 ε=ε

D1n = D2nThành phần pháp tuyến của vector

cảm ứng điện biến thiên liên tục khi điqua mặt phân cách 2 lớp điện môi.

Thông lượng cảm ứng điện theo định nghĩa:

dSDS

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;

4. Vật liệu điện môi đặc biệtĐiện 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)

Điện môi Séc-nhét (Seignette)

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

Quartz: SiO2;

Tinh thể đườngTopaz: 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

4. Vật liệu điện môi đặc biệtĐiện môi Séc-nhét (Seignette)

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 Pthay đổi chậm hơn so với E ⇒ P được xác định không những bởi giá trị của E tại thời điểm đang xét mà còn phụthuộc 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 cósự định hướng giống nhau của các mômen lưỡng cực ⇒ phân cực tự phát tạo ra véctơ phân cực tựphát 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, mômenphân cực của một số domainkhông xoay kịp trở lại ⇒ tạo ra hiện tượng phân cực dư ⇒ có giátrị Pr.

Đảo chiều và tăng E = - Ecvéctơ phân cực của từng miền trở lại vị trí như ban đầu ⇒véctơ phân cực tổng cộng = 0.

4. Vật liệu điện môi đặc biệtĐiện môi Séc-nhét (Seignette)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.

4. Vật liệu điện môi đặc biệtĐiện môi Séc-nhét (Seignette)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 với15 0C < T < 22 0C ⇒ có 2 điểm Curie, Tc = -15 0C và 22 0C.

Vật liệu sắt điện tổng hợp

BaTiO3PZTAlN

25

Hiệu ứng áp điện (piezoelectric effect)


Độ lớn của các điện tích cảm ứng tỉlệ 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

26

Hiệu ứng áp điện (piezoelectric effect)


Khi đặt điện áp lên 2 mặt của tinh thểáp điện ⇒ sẽ bị biến dạng (dãn hoặc nén) ⇒ hiệu ứng áp điện nghịch.

Tinh thểáp 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 thuậtChế 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

Documents