Chương III: Hiện Tượng và Đặc Tính của Điện Môi môn Vật lý đại cương 2 | Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

PHẦN 2: ĐIỆN HỌC
CHƯƠNG III: ĐIỆN MÔI
3.1. Hiện tượng phân cực điện môi
3.2. Cường độ điện trường và điện cảm trong điện
môi (giới thiệu công thức)
3.3. Điện môi đặc biệt 1
CHƯƠNG III: ĐIỆN MÔI
3.1. Hiện tượng phân cực điện môi
* Vật liệu điện môi : Không có phần tử tải điện tự do 3.1.1. Hiện tượng ++ + - Điện môi ++ --
* Nếu đưa thanh điện môi đồng chất và đẳng hướng + + + + +
vào trong điện trường của vật dẫn A ( 𝟎 A B C
trên các mặt giới hạn của thanh điện môi sẽ xuất
hiện những điện tích trái dấu.
* Nếu thanh điện môi không đồng chất và đẳng hướng
ngay trong lòng thanh điện môi cũng xuất hiện điện tích
Điện tích trong thanh điện môi là điện tích liên kết (ko di chuyển được)
Hiện tượng phân cực điện môi: Hiện tượng xuất hiện các điện tích liên kết trên
thanh điện môi khi đặt trong điện trường ngoài. 2
Điện tích liên kết trong thanh điện môi sinh ra ’. Do đó ’+ 𝟎
3.1. Hiện tượng phân cực điện môi 3.1.1. Hiện tượng Phân tử phân cực
Giải thích hiện tượng phân cực điện môi. Phân tử không phân cực -𝑝𝑒+  - + + - -𝑝 + 𝑒  - + - + - + - + - + - +  - +  phân cực electron phân cực định hướng 3
3.1. Hiện tượng phân cực điện môi 3.1.1. Hiện tượng
Giải thích hiện tượng phân cực điện môi. Điện môi tinh thể
•Có thể coi toàn bộ tinh thể là một phân tử khổng lồ
•Các mạng ion dương và âm lồng vào nhau
•Dưới tác dụng của
các mạng ion dương dịch chuyển cùng chiều ,
các ion âm dịch chuyển ngược chiều gây ra phân cực điện môi. (phân cực ion)
Khi bỏ điện trường ngoài ra, hiện tượng phân cực điện môi cũng mất ngay 4
3.1. Hiện tượng phân cực điện môi
3.1.2. Véc tơ phân cực điện môi
* Ký hiệu: Véc tơ phân cực điện môi: 𝒆
Đặc trưng cho mức độ phân cực của điện môi
Định nghĩa véc tơ phân cực điện môi:
•Giả sử trong thể tích
của khối điện môi đồng chất có nphân tử điện môi
•Gọi 𝒆𝒊 là véc tơ momen điện của phân tử thứ i.
•Ta có định nghĩa:
Véc-tơ phân cực điện môi là một đại lượng đo bằng tổng các véc tơ
mô men điện của các phân tử có trong một đơn vị thể tích của khối điện môi 𝒏 𝒆𝒊 𝐢𝟏 C/m2 𝒆 5
3.1. Hiện tượng phân cực điện môi
3.1.2. Véc tơ phân cực điện môi
*Mối liên hệ giữa 𝒆và
(véctơ cường độ điện trường tổng hợp trong chất điện môi)
+) Điện môi gồm các phân tử không phân cực, khi đặt trong điện trường
ngoài thì mọi phân tử điện môi đều có cùng véc tơ mô men lưỡng cực điện 𝒆  𝒏𝒑𝒆 𝒆
𝜟𝑽 𝟎𝒆(no: mật độ phân tử) 𝒆𝒐  𝒆 𝐨𝐨
+ Đặt e=𝐨độ cảm điện môi   𝒆 𝐨 e 6
3.1. Hiện tượng phân cực điện môi
3.1.2. Véc tơ phân cực điện môi
+) Điện môi gồm các phân tử tự phân cực, khi đặt trong điện trường
ngoài thì mọi phân tử điện môi đều quay sao cho véc tơ mô men lưỡng
cực điện 𝒆hướng theo 𝟎 𝒏𝟎𝒑𝒆𝟐
𝟎𝒆𝐨evới 𝒆 𝟑𝜺𝟎𝒌𝑻 +𝟎thì 𝒆 + Khi 𝒆
thì 𝒆=khi tăng
Hiện tượng phân cực điện môi bão hòa
+) Điện môi tinh thể: 𝒆𝐨e 7
3.1. Hiện tượng phân cực điện môi
3.1.3. Liên hệ giữa véc tơ phân cực điện môi và mật độ điện tích mặt liên kết (’)
* Tách ra trong điện môi một khối trụ xiên có đường sinh song song
(hình vẽ)
* Coi toàn bộ khối trụ điện môi như là
-’ 𝐸 +’
một lưỡng cực điện tạo ra bởi các điện -- ++ -+ + -- - ++ S 𝑃𝑒
tích liên kết -Q= -S ’và +Q= +S ’ -- ++  -
trên hai đáy cách nhau . L + 𝑛 𝒏 L 𝒆𝒊 𝒊𝟏 𝒆 𝒆
-Q = -S’+Q = +S ’ -+  L 𝒆𝑺. 󰆓.𝑳  󰆒
𝑺.𝑳.𝒄𝒐𝒔 𝒆  𝒄𝒐𝒔   = ’.S.L
′𝒆 ′𝒆𝒏
 Độ lớn mật độ điện tích liên kết xuất hiện trên mặt tấm
điện môi bằng hình chiếu véctơ phân cực điện môi theo 𝒆
phương pháp tuyến với mặt đó. 8 𝒏
CHƯƠNG III: ĐIỆN MÔI
-’- +’
3.2. Cường độ điện trường và điện cảm trong điện môi +
3.2.1. Điện trường tổng hợp trong điện môi - + - 𝐸′+ - +
𝐨: véc-tơ điện trường ngoài - +
: véc-tơ điện trường phụ xuất hiện do điện 𝐸 tích liên kết +- (3.1)
+ Từ mối liên hệ giữa điện tích mặt và véc tơ phân cực điện môi:
 󰆒𝒆𝒏 𝟎𝐞 𝐧 󰆒𝐨𝐞(3.2)
+ Cường độ điện trường
được tính theo công thức của cường độ
điện trường gây ra bởi hai mặt song song vô hạn, mật độ điện tích
mặt ’ và 󰆒  (3.3) 𝐨
3.2. Cường độ điện trường và điện cảm trong điện môi
3.2.1. Điện trường tổng hợp trong điện môi
-’- +’ +
+ Thay (3.2) vào (3.3): - + - 𝐸′+ - + 󰆒󰆓 𝐨𝐞𝑬 - +   𝐞(3.4) 𝐨 𝐨 𝐸
+ Thay (3.4) vào (3.1): +-
𝐨󰆒𝐨𝐞𝑬𝐨 (3.5) 𝟏𝐞 𝑬 Đặt   𝒐
𝐞: hằng số điện môi 
Kết luận: Cường độ điện trường trong tấm điện môi giảm đi lần so
với cường độ điện trường trong chân không. 10
3.2. Cường độ điện trường và điện cảm trong điện môi
3.2.2. Cảm ứng điện trong điện môi
* Mối liên hệ giữa véc-tơ cảm ứng điện
và véc-tơ phân cực điện môi 
=o=(
-’- + 𝐞) o=
o+𝐞 o(3. 6) ’ + - + Mặt khác: - 𝐸′ + 𝒆𝐞 o(3. 7) - + - + 𝐸
Thay (3. 7) vào (3.6), ta được: =  o+𝒆 Chú ý: +-
•Công thức = ovà 𝒆𝐞
ochỉ đúng cho trường hợp môi trường đồng nhất
và đẳng hướng.
•Trường hợp môi trường không đồng nhất và không đẳng hướng muốn xác định
phải dùng công thức: =o+𝒆(vì 𝒆không tỷ lệ với hay không cùng
phương chiều với ) 11
3.3. Điện môi đặc biệt
3.3.1. Điện môi séc-nhét
•Năm 1930-1934 tìm ra Tinh thể muối Secnhet có công thức:
NaK(C2H2O3)2.4H2O (bitactrat natri kali ngậm nước)
•Sau đó tìm ra nhóm các điện môi tinh thể khác có tính chất tương tự gọi
là điện môi Secnhet. Đặc tính:
a) Trong một khoảng nhiệt độ nào đó, hằng số điện môi  rất lớn (có thể đạt tới 10.000)
b) Hằng số điện môi  (hay hệ số 𝐞) phụ thuộc vào E (cường độ điện trường trong điện môi)
vectơ phân cực điện môi 𝒆không tỷ lệ bậc nhất với . Nghĩa là khi E
tăng đến một giá trị nào đó thì 𝒆 sẽ không tăng nữa
Khi đó hiện tượng
phân cực điện môi secnhet đã đạt trạng thái bão hòa.
3.3. Điện môi đặc biệt
3.3.1. Điện môi séc-nhét Đặc tính: Pe Ped
c) Giá trị của 𝒆phụ thuộc vào Evà vào trạng thái
phân cực của điện môi. -Eb-Ek
Khi giảm Exuống tới 0, Pekhông giảm về 0mà vẫn O Ek Eb E
còn một giá trị nào đó: Ta gọi đó là Hiện tượng
phân cực còn dư Hay Hiện tượng điện trễ
d) Khi tăng nhiệt độ tới T>TCđiện môi secnhet mất
hết tính chất đặc biệt và trở thành điện môi bình Chu trình điện trễ
thường. Khi đó TCgọi là nhiệt độ Curie (muối
secnhet có TCkhoảng 250C)
Ứng dụng: Trong kỹ thuật điện và vô tuyến điện (chế tạo các điện dung có kích
thước nhỏ nhưng điện dung rất lớn)
3.3. Điện môi đặc biệt
3.3.2. Hiệu ứng áp điện
a) Hiệu ứng áp điện thuận
b) Hiệu ứng áp điện nghịch
Là hiệu ứng xuất hiện các điện tích
Là hiệu ứng biến dạng của vật liệu
trái dấu trên bề mặt tấm điện môi
điện môi dưới tác dụng của điện
dưới tác dụng của ngoại lực (khi trường ngoài vật biến dạng) 14