Bài giảng vật lý đại cương A2 (Điện môi)

1
CHƯƠNG 3 - ĐIỆN MÔI
1. Sự phân cựctrongchất điệnmôi
2. Vector phân cực điệnmôi
3. Điệntrường trong chất điệnmôi
4. Vậtliệu điệnmôiđặcbiệt
2
1. Sự phân cựctrongchất điệnmôi
) Điệntrường của thanh tích điện(+)
hút các điệntử và đẩyhạt nhân
⇒ mất
phân bốđiệntíchđốixứng.
) Chất điệnmôi: Điệntử liên kếtchặt
vớihạt nhân nguyên tử
⇒ phân bốđiện
tích đốixứng ⇒ khó tự do di chuyển
suốtqua toànbộ thể tích.
) Do điệntrường thanh giảmtheo
khoảng cách vớivật
⇒ lựchútsẽ lớn
hơnlực đẩy
⇒ vậtbị hút về thanh tích
điện.
Hiệntượng phân cực điệnmôi
) Phân bốđiện tích bề mặt: điện tích (-)
ở phía sát thanh tích điệnvàđiệntích(+)
ở phía đốidiện
⇒ Hiệntượng phân cực
3
1. Sự phân cựctrongchất điệnmôi
Hiệntượng phân cực điệnmôi

) Điện tích liên kếtcóthể vẫntồn
tại ngay cả sau khi
0
0
=E
r
) Xuấthiệnphânbốđiện tích liên
kết ở mộtsố vùng trên bề mặt
⇒
mật độ điện tích liên kếtmặt σ’.
'
0
EEE
r
r
r
+=
0
E
r
0
'
≠E
r
0≠E
r
Điệnmôi
) Hình thành điệntrường phụ
'
E

r
ngượcchiều
0
E
r
) Vậtdẫntrở lạitrạng thái trung
hòa điệnkhi
0
0
=E
r
) Xuấthiệnphânbố các điện
tích tự do trên toàn bộ bề mặt
⇒
mật độ điệnmặt σ.
0
E
r
0=E
r
Vậtdẫn
⇒ hiệu ứng Màn chắntĩnh điện
không thể xuyên qua vậtdẫn
E
r
)
4
Mô hình phân cực nguyên tử
1. Sự phân cựctrongchất điệnmôi
Hiệntượng phân cực điệnmôi

) Nguyên tử bị phân cực điện ⇔ lưỡng cực điện, vớilàvector hướng từ
trọng tâm “đám mây điệntử “ đếnhạt nhân nguyên tử.
d
r
+
⎯
dqp
e
r
r
=
+
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯⎯
⎯⎯
) Nguyên tử có điệntử liên kếtchặtvớihạt nhân ⇒ phân bốđiệntíchđối
xứng ⇒ trung hòa vềđiện.
) Điệntrường ngoài : Điệntử di chuyểnngượcchiềutrường ngoài
⇒ hình
thành một“đám mây” điệntử lệch về mộtphíamàtâmcủa nó không trùng
vớihạt nhân nguyên tử ⇒ nguyên tử bị phân cực điện.

0
E
r
+
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
⎯
0
E
r
⎯
+
-q
+q
d
p
e
0
E

r
5
1. Sự phân cựctrongchất điệnmôi
Hiệntượng phân cực điệnmôi
) Ví dụ: H
2
O, NH
3
, HCL, CH
3
Cl
) Điệntrường ngoài không ảnh hưởng đến độ lớncủa ⇒ phân tử là lưỡng
cựccứng.
e
p
r
0=
e
p
r
0
0
=E
r
khi
0
≠
e
p
r

0
0
≠E
r
khi
và
)
⎯
+
-q
+q
d
p
e
0
E
r
0
≠
e
p
r
) Phân tử có phân bốđiện tích không đối
xứng ⇒ trọng tâm điện tích (+) và (-) cách
nhau một khoảng khi . , nghĩalà:
d
r
0
0
=E

r
⎯
+
-q
+q
d
p
e
Phân tử tự phân cực (phân cựctự phát)
Phân tử không tự phân cực (phân cựccảm ứng)
) Phân tử là lưỡng cực đàn hồi
Ep
e
r
r
αε=
) Có:
với α: độ phân cựcphântử, ∈ thể tích phân tử
6
Các dạng phân cực điệnmôi
Điệnmôicấutạobởi các phân tử tự phân cực: Phân cực định hướng
1. Sự phân cựctrongchất điệnmôi
) Hình thành lớp điệntíchtạibề mặt điệnmôi⇒ không phảilàđiện tích
tự do mà là điệntíchliênkết.
) Khicótrường ngoài ⇒ các quay dầntheophương trường ngoài cho
đếnkhitoànbộ các có phương trùng phương trường ngoài
ei
p
r
0≠⇒

∑
i
ei
p
r
ei
p
r
0
0
≠E
r
0
0
≠E
r
0,0 ≠≠
∑
i
eiei
pp
r
r
0
0
=E
r
0,0 =≠
∑
i

eiei
pp
rr
) Khi không có trường ngoài ⇒ từng phân tử có nhưng mỗi
có phương ngẫunhiên
0
≠
ei
p
r
0=⇒
∑
i
ei
p
r
ei
p
r
7
Điệnmôicấutạobởi các phân tử không tự phân cực: Phân cực điệntử
) Khi không có trường ngoài ⇒ từng phân tử có do trọng tâm điện
tích (+) và (-) trùng nhau
0
=
ei
p
r
0=⇒
∑

i
ei
p
r
) Khi có trường ngoài ⇒ các lớpvỏđiệntử củatừng phân tử bị biếndạng
⇒ trọng tâm điện tích (+) và (-) không trùng nhau, nên và đều cùng
phương trường ngoài
0
≠
ei
p
r
0≠⇒
∑
i
ei
p
r
Các dạng phân cực điệnmôi
1. Sự phân cựctrongchất điệnmôi
) Khối tinh thểđược coi là như
mộtphântử khổng lồ có các
mạng i-ôn (+) và (-) đan xen
nhau.
Điệnmôicócấutrúctinhthể: Phân cựci-ôn
8
V
d
Điệnmôicócấutrúctinhthể: Phân cựci-ôn
Cấu trúc tinh thể NaCl

+
Na
+
+
Cl
-
d
0≠
ngoài
E
r
0
≠
ei
p
r
1. Sự phân cựctrongchất điệnmôi
Các dạng phân cực điệnmôi
) Đốivớicả 3 loại điệnmôi⇒ sự phân cựcbiếnmấtkhibỏđi điệntrường ngoài.
9
2. Vector phân cực điệnmôi
Định nghĩa
Đạilượng vậtlýđobằng tổng lưỡng cực điệncủacác
phân tử có trong một đơnvị thể tích củakhối điệnmôi
V
p
P
n
i
ei

e
Δ
=
∑
=1
r
r
Enpn
V
pn
P
ei
ei
e
r
r
r
r
αε==
Δ
=
000
.
Có:
EP
ee
rr
χε=
0
Hay:

(χ
e
: Độ cảm điệnmôi)
0≠E
r
mọi phân tửđềucócùng
ei
p
r
khi
P
e
E
P
bh
Điệnmôitự phân cực
Điện môi không phân tự cựcvàđiệnmôitinhthể
đủ lớn
⇒
e
P
r
đạttrạng thái bão hòa
E
r
kT
pn
e
e
0

2
0
3
.
ε
χ
=
thấp
⇒
E
kT
pn
P
e
e
rr
3
.
2
0
=
với
E
r
10
10
Điện tích trên ΔS =
±σ
’.
Δ

S
2. Vector phân cực điệnmôi
Vector phân cực điện môi và mật độ điệnmặtliênkết
⇒
σ
’= P
e
.cos
α
= P
en
+σ’
-σ’
Δ
S
d
+
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
E

r
e
P
r
n
r
α
ª Mật độ điệnmặtcácđiện tích liên kếtcủakhối điện môi có giá trị bằng
hình chiếucủa vector phân cực trên pháp tuyếncủamặtgiớihạn đó.
Trong đó:
dSp
n
i
ei
.'.
1
Δ=
∑
=
σ
ΔV =
Δ
S.d.cos
α
và
α
σ
=
α
Δ

Δ
σ
=
cos
'
cos
.'.
dS
dS
P
e
Vì thế:
Đơnvị của P
e
: C/m
2
V
p
PP
n
i
ei
ee
Δ
==
∑
=1
r
có:
11

Cường độ điệntrường trong chất điệnmôi
0
E
r
σ
’
+
σ
’
σ
’
+
σ
’
E
r
σ
’
+
σ
’
σ
’
+
σ
’
'E
r
0
E

r
'
0
EEE
r
r
r
+=
) Điệntrường tổng hợptrongchất điệnmôi:
3. Điệntrường trong chất điệnmôi
12
3. Điệntrường trong chất điệnmôi
Cường độ điệntrường trong chất điệnmôi
) Chiếu theo chiềucủacó:
0
E
r
E = E
0
-E’
σ
’
+
σ
’
'E
r
0
E
r

ª E’làđiệntrường gây bởi2 mặt
phẳng vô hạnmangđiệntíchtráidầu
vớimật độ -
σ
’và+
σ
’, và:
E’ =
σ
’/
ε
0
σ
’= P
en
=
ε
0
χ
e
E
n
=
ε
0
χ
e
E
với:
E’ =

χ
e
E
ª Cường độ điệntrường trong chất
điệnmôiđồng chấtvàđẳng hướng
giảm đi
ε
lầnso vớicường độ điện
trường trong chân không.
Chân không
Điệnmôi
σ
’
+
σ
’
ε
=
χ+
=
00
1
EE
E
e
) E = E
0
-
χ
e

E
hay:
ª
ε
=1+
χ
0
là hằng sốđiệnmôi, đặc
trưng cho tính chấtcủamôitrường
13
Điệncảm trong chất điệnmôi
) có:
ED
rr
εε=
0
ε
= 1 +
χ
e
3. Điệntrường trong chất điệnmôi
(
)
e
e
e
PE
EE
ED
rr

rr
r
r
+ε=
=χε+ε=
=χ+ε=
0
00
0
1
ª Điệncảmtrongmôitrường
không đồng nhất, không cùng
phương, cùng chiềuvới
D
r
E
r
Đường sứctrường qua mặtphâncách2 môitrường
) Đường sức điệncảm không gián
đoạn khi qua mặt phân cách 2 môi
trường.
) Đường sức điệntrường gián đoạn
khi qua mặt phân cách 2 môi trường.
Môi trường đồng nhất,
đẳng hướng
Tuyếntính
Phi tuyến
14
3. Điệntrường trong điệnmôi
Đường sức điệntrường qua mặtphâncách2 môitrường

0
E
r
1
'E
r
®

®

2
'E
r
E
2n
E
1t
E
2t
E
1n
ª Trên các mặtgiớihạnxuấthiện
các điện tích liên kết ⇒ xuấthiện
các điệntrường phụ và (⊥
mặt phân cách).
1
'E
r
2
'E

r
) Điệntrường đi qua mặtphân
cách hai môi trường có hằng sốđiện
môi
ε
1
và
ε
2
.
0
E
r
ª Điệntrường tổng hợptrongcác
lớp điệnmôi:
101
'EEE
r
rr
+=
202
'EEE
r
rr
+=
ª Chiếulênphương pháp tuyếnvàtiếptuyến, có:
nnn
EEE
101
'

+
=
ttt
EEE
101
'
+
=
nnn
EEE
202
'+
=
ttt
EEE
202
'+
=
và
15
3. Điệntrường trong điệnmôi
Đường sức điệntrường qua mặtphâncách2 môitrường
0
E
r
1
'E
r
®


®

2
'E
r
E
2n
E
1t
E
2t
E
1n
) Vì: E’
1t
= E’
2t
= 0
ª E
1t
= E
2t
ª Thành phầntiếptuyếncủa vector
cường độ điệntrường tổng hợpbiến
thiên liên tụckhiđi qua mặt phân
cách 2 lớp điệnmôi.
) Mặt khác:
E’
1n
=

χ
e1
E
1n
E’
2n
=
χ
e2
E
2n
()
10101
/1/
ε
=
χ
+
=
nenn
EEE
(
)
20202
/1/
ε
=
χ
+
=

nenn
EEE
ª
nn
EE
2211
ε=
ε
⇒
nn
EE
2
1
2
1
ε
ε
=
ª Thành phần pháp tuyếncủavector cường độ điệntrường tổng hợpbiến
thiên không liên tụckhiđi qua mặt phân cách 2 lớp điệnmôi.
ª Đường sức điệntrường là không liên tụckhiđi qua mặt phân cách
16
3. Điệntrường trong điệnmôi
Đường sức điệncảmqua mặtphâncách2 môitrường
0
E
r
1
'E
r

®

®

2
'E
r
D
2n
D
1t
D
2t
D
1n
1
D
r
2
D
r
) có:
101
ED
r
r
εε=
202
ED
r

r
εε=
) Chiếulênphương tiếptuyến, có:
D
1t
=
ε
0
ε
1
E
1t
D
2t
=
ε
0
ε
2
E
2t
) Vì: E
1t
= E
2t
nên:
tt
ED
2
2

1
1
ε
ε
=
ª Thành phầntiếptuyếncủa vector cảm ứng điệnbiến thiên không liên
tụckhiđi qua mặt phân cách 2 lớp điệnmôi.
17
3. Điệntrường trong điệnmôi
Đường sức điệncảmqua mặtphâncách2 môitrường
0
E
r
1
'E
r
®

®

2
'E
r
D
2n
D
1t
D
2t
D

1n
1
D
r
2
D
r
) Chiếulênphương pháp tuyến, có:
D
1n
=
ε
0
ε
1
E
1n
D
2n
=
ε
0
ε
2
E
2n
Vì:
nn
EE
2211

ε=ε
ª D
1n
= D
2n
ª Thành phần pháp tuyếncủa vector
cảm ứng điệnbiến thiên liên tụckhiđi
qua mặt phân cách 2 lớp điệnmôi.
) Thông lượng cảm ứng điệntheođịnh nghĩa:
dSD
S
ne
∫
=Φ
)(
ª Đường sứccảm ứng điện điliêntục trong các môi trường điệnmôi
18
) Công thức: KNaC
4
H
4
O
6
·4H
2
O
ª Trong suốthoặcvàngnhạt;
ª Dễ dàng tan trong nước;
ª Cấu trúc orthorhombic;
4. Vậtliệu điệnmôiđặcbiệt

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.
ª Trọng lượng riêng = 1.79;
ª Nhiệt độ nóng chảy = 75 °C.
19
4. Vật liệu điện môi đặc biệt
Nhóm điện môi Séc-nhét (tự nhiên)
Điện môi Séc-nhét (Seignette)
ª Tourmaline: Ca,K,Na (Al,Fe,Li,Mg,Mn)
3
;
ª Quartz: SiO
2
;
ª Tinh thể đường
ª Topaz: Al
2
SiO

4
(F,OH)
2
;
) Hằng số điện môi (ε) của các Séc-nhét
phụ thuộc vào E
ngoài
.
P
E
0
P
s
) Khi E tăng đến giá trị nào đó ⇒ P đạt
trạng thái bão hòa (P
s
).
) 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 biệt
Điện môi Séc-nhét (Seignette)
P
E
0
P
r
E
c

) Khi E
ngoài
giảm → 0 ⇒ vật liệu vẫn
còn bị phân cực
⇒ có P = P
r
:hiện
tượng phân cực dư hay đi
ện 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
ª
Khi E
ngoài
thay đổi, các trị số của P
thay đ
ổi chậm hơn so với E ⇒ P được
xác đ
ịnh không những bởi giá trị của E
t
ại 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
4. Vật liệu điện môi đặc biệt
Điện môi Séc-nhét (Seignette)

) Cấu trúc tinh thể có những miền trong đócó
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 E
ngoài
≠ 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
ª Tăng dần E
ngoài
cho tới khi tất
cả các vector phân cực tổng cộng
của từng miền song song với
nhau
⇒ trạng thái bão hòa (P
s
).
ª Khi E
ngoài

giảm → 0, mômen
phân cực của một số domain
không xoay kịp trở lại
⇒ tạo ra
hiện tượng phân cực dư
⇒ có giá
tr
ị P
r
.
ª 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.
4. Vật liệu điện môi đặc biệt
Điện môi Séc-nhét (Seignette)
Cơ chế hiện tượng trễ
23
) Tiếp tục tăng dần E
ngoài
cho tới
khi tất cả các vector phân cực
tổng cộng của từng miền song
song với nhau
⇒ đạt trạng thái
bão hòa
(-P
s
) lần nữa (đối xứng

với
P
s
qua gốc 0).
) Nếu đưa E
ngoài
→ 0 ⇒ lại tạo
ra hiện tượng phân cực dư (tr
ị P
r
)
và P = 0 khi E = Ec c
ũng như
ti
ếp tục đạt giá trị Ps ban đầu khi
tăng d
ần E ⇒ tạo thành chu trình
kín.
4. Vật liệu điện môi đặc biệt
Điện 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)
4. Vật liệu điện môi đặc biệt
Điện môi Séc-nhét (Seignette)
) Tính chất sắt điện phụ thuộc nhiệt độ
) Tạinhiệt độ xác định tính chất sắt điện biến mất ⇒ trở thành vật liệu điện

môi thông thường
⇒ nhiệt độ Curie (điểm Curie) - Tc.
ª Muối NaKC
4
H
4
O
6
.4H
2
O chỉ có tính chất sắt điện với
15
0
C < T < 22
0
C ⇒ có 2 điểm Curie, Tc = -15
0
C và 22
0
C.
) Vật liệusắt điện tổng hợp
ª BaTiO
3
ª PZT
ª AlN
25
Hiệu ứng áp điện (piezoelectric effect)
4. Vật liệu điện môi đặc biệt
) 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
(SiO
2
) 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