Tài liệu Phần 2 - SỰ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI docx

Môn học:
VẬT LIỆU ĐIỆN
TẬP ĐOÀN ĐIỆN LỰC VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

Định nghĩa:
Phân cực điện môi là sự dịch chuyển của các điện tích
trong giới hạn 1 phân tử dưới tác động của điện trường
ngoài và hình thành moment điện.
Trạng thái của điện môi có thể được thể hiện bằng các
đại lượng sau:

Cường độ điện trường E

Độ phân cực P

Cảm ứng điện D

Năng lượng điện trường tích lũy trong điện môi

Mật độ năng lượng điện trường tích lũy trong điện môi
SỰ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI


Tốc độ lan truyền sóng điện từ

Hệ số khúc xạ sóng điện từ

Bước sóng truyền dẫn sóng điện từ


Trở kháng sóng
a) Cường độ điện trường E
+ -
r
)/( mV
q
F
E =
2
2
4 r
q
F
o
πεε
=
2
4 r
q
E
o
πεε
=⇒
ε
o
: hằng số điện môi
ε: hệ số điện môi
r: khoảng cách giữa 2 điện tích
)/(
36

10
9
mF
o
π
ε
−
=

Cường độ điện trường trong tụ phẳng
h
U
E =
ε chỉ thể hiện tính chất của điện mô ở
khối lượng hay thể tích đủ lớn phản ánh
tính phân cựa của điện môi trong điện
trường. ε được gọi là tham số vĩ mô.
U
ε
h
U
ε
1
h
U
ε
2
h
h
U

EE ==
>
21
21
εε
Cường độ điện trường trong 1 tụ phẳng được
làm từ điện môi đồng nhất có giá trị bằng nhau ở
mọi điện trong thể tích của điện môi và nó không
phụ thuộc vào hệ số điện môi.
Điện môi được gọi là đồng nhất nếu có ε bằng
nhau ở mọi điểm trong điện môi.

Cường độ điện trường trong tụ hình trụ
d
D
r
U
E
x
x
ln
=
Cường độ điện trường của tụ trụ cũng không phụ thuộc vào hệ số điện
môi (đồng nhất). Nó có giá trụ cực đại ở bề mặt điện cực trong và có giá
trị cực tiểu ở bề mặt điện cực ngoài.
d
(r
1
)
D

(r
2
)
1
2
1
max
ln
r
r
r
U
E =
1
2
2
min
ln
r
r
r
U
E =

Độ phân cực P
V
p
P
n
i

∑
=
=
1
Độ phân cực P còn được gọi là cường độ phân cực, thể hiện sức phân
cực của điện môi trong điện trường và cũng như hệ số điện môi ε, nó
chỉ thể hiện ở khối lượng hoặc thể tích đủ lớn.
Nếu ta đưa 1 phân tử điện môi vào điện trường sẽ không có sự phân
cực.
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
Khi chưa có điện trường Khi có điện trường
p: độ phân cực từng phần tử điện môi
V: thể tích điện môi

Cảm ứng điện D
Cảm ứng điện D là tổng hình học của hai vectơ cường độ điện trường
nhân với hằng số điện môi và vectơ cường độ phân cực P:
D = ε
o
E + P
Mặt khác, giữa điện dịch và điện trường có quan hệ:
D = ε.ε
o.
E

ε
o
E + P = ε.ε
o.
E

P = ε
o
E (ε - 1)

ε
o
= 1 + k
E
k
E
ở mọi vật chất có giá trị >0. Trong chân không, k
E

= 0

Để xác định hệ số của điện môi nào đó, người ta sử dụng phương pháp
thực nghiệm:

Đo điện dung của tụ điện trong chân không ε
o

Đo điện dung trong điện môi có ε
x
Đối với tụ trụ
ε
h
h
S
C
o
εε
=
1
2
ln
2
r
r
l
C
o
tr
πεε

=
h
S
C
o
o
ε
=
o
C
C
=
ε
otr
tr
C
C
_
=⇒
ε
1
2
_
ln
2
r
r
l
C
o

otr
πε
=

Quan hệ giữa điện trở và điện dung của đoạn cách điện
Tích điện dung và điện trở của đoạn cách
điện không phụ thuộc vào kích thước hình
học của điện môi mà chỉ phụ thuộc vào bản
chất của điện môi.
τ = R.C – Thời hằng tự phóng điện của tụ.
Nó thể hiện thời gian mà điện áp trên 2 đầu
tụ nhỏ đi e lần so với thời điểm t = 0.
ε
h
h
S
C
o
εε
=
∞≈
SS
R
ρ
,
ρεε
...
ocđ
CR =
o

t
UeU .
τ
−
=
U
o
U
tτ
cđvv
R
S
h
R ==
ρ

Bài tập:
Cho một tụ điện được nạp đầy tới 1000V. Tụ được ngắt khỏi nguồn và
để hở mạch. Sau 10 phút, U trên 2 đầu tụ đo được là 200V. Cho ε = 5.
Xác định ρ
V
của điện môi.
Giải:
o
t
UeU .
τ
−
=
U

o
U
tτ
1000.200
)(600
τ
s
e
−
=
)(372)5ln(.600
1
s==
−
τ
vo
CR
ρεετ
== .
)(10.432,8)5ln(
600
121
m
o
v
Ω==
−−
ε
ρ

Năng lượng điện trường tích luỹ trong điện môi:
2
.
2
1
UCW =
hSV .=
Tụ phẳng:
)(.
2
1
2
JU
h
S
W
o
εε
=
Mật độ năng lượng điện trường tích luỹ trong điện môi:
V
W
W
o
=
V: Thể tích điện môi
hS
U
h
S

W
o
o
.
1
.
2
1
2
εε
=⇒
2
2
1
EW
oo
εε
=

Tốc độ lan truyền sóng điện từ
oo
v
µµεε
1
=
Trong đó:
µ
o
: Hằng số từ thẩm
ε

o
: Hệ số điện thẩm
)(104
7
m
H
o
−
=
πµ
)(
36
10
9
m
F
o
π
ε
−
=
)/(10.3
1
8
smc
oo
==
µε
εµ
c

v =
Ở vật chất không nhiễm từ, µ = 1
ε
c
v =⇒
ε
nước
= 4; ε
thuỷ tinh
= 8  V
thuỷ tinh
> v
nước
 ánh sáng truyền trong
thuỷ tinh nhanh hơn truyền trong nước.

Hệ số khúc xạ sóng điện từ (chiết suất)
εµ
=n
o
o
C
Z
εε
µµ
=
Ở vật chất không nhiễm từ, µ = 1
ε
=⇒ n
Chân không:

Bước sóng truyền dẫn sóng điện từ
λ
vật chất
= v.t
λ
chân không
= c.t
Trở kháng sóng
)(377
36
10
10.4
9
7
_
Ω===
−
−
π
π
ε
µ
o
o
ckC
Z

Điện môi có cực và điện môi không cực
Bất cứ 1 loại điện môi nào cũng có tổng đại số của điện tích (-) bằng
tổng đại số của các điện tích (+).

Để có thể phân biệt điện môi không cực, có cực, người ta dùng phương
pháp thực nghiệm sau:
-
Lấy trọng tâm các điện tích (+) thành 1 điện tích duy nhất.
-
Làm tương tự với các điện tích (-)
Nếu 2 trọng tâm trùng nhau  không cực
Nếu 2 trọng tâm không trùng nhau  có cực.
Cách khác: xác định cấu trúc phân tử của điện môi. Cấu trúc đối xứng
 không cực, cấu trúc không đối xứng  có cực.

Bản chất vật lý của phân cực điện môi
Giũa phân cực điện môi và tính dẫn điện của điện môi đều là sự dịch
chuyển của các điện tích dưới tác động của điện trường ngoài. Nhưng
giữa chúng có sự khác biệt cơ bản:

Phân cực điện môi là sự dịch chuyển của các điện tích trong giới hạn
của 1 phân tử. Tính dẫn điện của điện môi là sự dịch chuyển của các
điện tích trên khoảng cách dài.
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+

-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+ -
Khi chưa có điện trường Khi có điện trường
Tính phân cực
Tính dẫn điện


Phân cực điện môi là sự tham gia của tất cả các phân tử. Tính dẫn
điện của điện môi chỉ là sự tham gia của một số lượng nhỏ điện tích tạp
chất.

Phân cực điện môi có tính chất đàn hồi. Nếu ngừng tác động của điện
áp các phần tử có xu hướng quay về trạng thái đầu. Tính dẫn điện
không có trạng thái này.

Ở điện áp 1 chiều, dòng điện phân cực chỉ tồn tại ở thời điểm đóng
và ngắt điện áp.


Ở điện áp xoay chiều, dòng điện phân cực tồn tại trong suốt thời gian
đặt điện áp, nhưng pha của dòng điện sớm pha hơn điện áp 90
o
Các dạng phân cực tồn tại trong thiên nhiên:
•
Phân cực điện tử
•
Phân cực ion
•
Phân cực lưỡng cực
•
Phân cực ion tích thoát
•
Phân cực điện tử tích thoát
•
Phân cực kết cấu
•
Phân cực tự phát

a) Phân cực điện tử
Là sự dịch chuyển của điện tử so với hạt nhân dưới tác động của điện
trường ngoài.
Đặc điểm:
-
Có mặt ở mọi loại điện môi, không phụ thuộc vào các dạng phân cực
khác.
-
Thời gian hoàn thành phân cực rất nhanh
-
Không gây tổn thất năng lượng

-
Không phụ thuộc vào tần số điện áp đặt
-
Không phụ thuộc vào nhiệt độ.
3
..4 r
ođt
επα
=
α: Hệ số phân cực điện tử
r: bán kính nguyên tử
)/(
36
10
9
mF
o
π
ε
−
=
Hệ số phân cực điệ tử tỉ lệ với lập
phương bán kính của nguyên tử.

b) Phân cực ion
Là sự dịch chuyển của các ion so với vị trí ban đầu dưới tác động của điện
trường ngoài.
Đặc điểm:
-
Thời gian hoàn thành phân cực rất nhanh (10

-14
÷ 10
-13
(s))
-
Không gây tổn thất năng lượng
-
Không phụ thuộc vào tần số điện áp đặt
-
Phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ.
-
Khoảng cách dịch chuyển luôn nhỏ hơn rất nhiều so với chu kỳ a của
lưới tinh thể.
3
2
..4






=
a
oion
επα
α: Hệ số phân cực điện tử
a: khoảng cách chu kỳ lưới tinh thể
)/(
36

10
9
mF
o
π
ε
−
=
Hệ số phân cực điệ tử tỉ lệ với lập
phương của nửa khoảng cách ion

c) Phân cực lưỡng cực
Sự khác biệt cơ bản giữa phân cực lưỡng cực với phân cực điện tử và
phân cực ion là các phần tử lưỡng cực dao động nhiệt một cách hỗn
loạn và một phần chúng được định hướng theo điện trường.
Đặc điểm:
-
Thời gian hoàn thành phân cực rất lớn  gọi là phân cực chậm
-
Gây tổn thất năng lượng
-
Không phụ thuộc vào tần số điện áp đặt
-
Khi ngừng tác động của điện áp, các phần tử lưỡng cực chuyển về
trạng thái ban đầu.
-
Độ phân cực phụ thuộc vào tần số điện áp đặt (tần số tăng  độ
phân cực và hệ số điện môi giảm).