Bài giảng môn Vật liệu điện: Sự phân cực điện môi

Môn học: VẬT LIỆU ĐIỆNTẬP ĐOÀN ĐIỆN LỰC VIỆT NAMTRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰCĐịnh 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 EĐộ phân cực PCảm ứng điện DNăng lượng điện trường tích lũy trong điện môiMật độ năng lượng điện trường tích lũy trong điện môiSỰ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔITốc độ lan truyền sóng điện từHệ số khúc xạ sóng điện từBước sóng truyền dẫn sóng điện từTrở kháng sóngCường độ điện trường E+-ro: hằng số điện môi: hệ số điện môir: khoảng cách giữa 2 điện tíchCường độ điện trường trong tụ phẳng 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.  được gọi là tham số vĩ mô.UhU1hU2hCường 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  bằng nhau ở mọi điểm trong điện môi.Cường độ điện trường trong tụ hình trụCường 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(r1)D(r2)Độ phân cực PĐộ 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 , 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 trườngKhi có điện trườngp: độ phân cực từng phần tử điện môiV: thể tích điện môiCảm ứng điện DCảm 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 = oE + PMặt khác, giữa điện dịch và điện trường có quan hệ: D = .o.EoE + P = .o.EP = oE ( - 1) o = 1 + kEkE ở mọi vật chất có giá trị >0. Trong chân không, kE = 0Để 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 oĐo điện dung trong điện môi có xĐối với tụ trụhQuan hệ giữa điện trở và điện dung của đoạn cách điệnTích 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. = 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.hUoUt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  = 5. Xác định V của điện môi.Giải:UoUtNăng lượng điện trường tích luỹ trong điện môi:Tụ phẳng:Mật độ năng lượng điện trường tích luỹ trong điện môi:V: Thể tích điện môiTốc độ lan truyền sóng điện từTrong đó: o: Hằng số từ thẩm o: Hệ số điện thẩmỞ vật chất không nhiễm từ,  = 1thuỷ tinh = 4; nước = 8 Vthuỷ tinh > vnước  ánh sáng truyền trong thuỷ tinh nhanh hơn truyền trong nước.Hệ số khúc xạ sóng điện từ (chiết suất)Ở vật chất không nhiễm từ,  = 1Chân không: Bước sóng truyền dẫn sóng điện từvật chất = v.tchân không = c.tTrở kháng sóngĐiện môi có cực và điện môi không cựcBất 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 cựcNếu 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 môiGiũa 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 trườngKhi có điện trườngTính phân cựcTính 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 90oCác 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 phátPhân cực điện tửLà 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 nhanhKhông gây tổn thất năng lượngKhông phụ thuộc vào tần số điện áp đặtKhông phụ thuộc vào nhiệt độ. : Hệ số phân cực điện tửr: bán kính nguyên tửHệ số phân cực điệ tử tỉ lệ với lập phương bán kính của nguyên tử.Phân cực ionLà 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 lượngKhông phụ thuộc vào tần số điện áp đặtPhụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ.Khoảng cách dịch chuyển luôn nhỏ hơn rất nhiều so với chu kỳ a của lưới tinh thể. : Hệ số phân cực iona: khoảng cách chu kỳ lưới tinh thểHệ số phân cực ion tỉ lệ với lập phương của nửa khoảng cách ionPhân cực lưỡng cựcSự 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 chậmGây tổn thất năng lượngKhông phụ thuộc vào tần số điện áp đặtKhi 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).Phân cực ion tích thoátLà đặc tính phân cực của điện môi có cấu trúc ion không không chặt và ở góc độ nào đó nó giống phân cực lưỡng cực.Đặc điểm:Thời gian hoàn thành phân cực rất lớn so với phân cực điện tử và phân cực ion.Gây tổn thất năng lượngKhông phụ thuộc vào tần số điện áp đặtKhi ngừng tác động của điện áp, các phần tử lưỡng cực chuyển về trạng thái ban đầu.Khác biệt cơ bản so với phân cực lưỡng cực là độ phân cực p và hệ số điện môi liên tục tăng theo nhiệt độ.Phân cực điện tử tích thoátLà đặc tính phân cực của điện môi tồn tại năng lượng kích thích của điện tử hay lỗ trống dư.Đặc điểm:Có hệ số điện môi rất lớnGây tổn thất năng lượng lớnKhi tần số tăng làm cho hệ số điện môi giảm nhanh.Phân cực kết cấuXuất hiện trong điện môi có cấu tạo không đồng nhất, hay cấu tạo lớpĐặc điểm:Xuất hiện ở vùng tần số thấpGây ra tổn thất năng lượngHiệu ứng phân cực mạnh nhất tại vùng tiếp giáp giữa 2 điện môi (hay 2 lớp).Phân cực tự phátLoại phân cực này tồn tại ở điện môi xênhít điện. Tồn tại nhiều vùng riêng biệt, mỗi vùng có sự phân cực tự phát riêng mà không cần điện trường ngoài.Đặc điểm:Gây tổn thất năng lượng lớn và lớn nhất trong các loại phân cực.Xảy ra mạnh ở điện trường thấp do trong điện môi tồn tại phân cực tự phát.Có tính chất bão hòa.Quan hệ giữa tham số vĩ mô với tham số vi môCác tham số vĩ mô bao gồm: , kE, n, D.: hệ số điện môikE: độ cảm điện môin:hệ số khúc xạ (chiết suất) D: khối lượng riêng.Các tham số vi mô: p, , Np: độ phân cực : hệ số phân cựcN: thể tíchKhi nghiên cứu một cách cặn kẽ hơn, ta có kết luận:Cường độ điện trường trong của một vị trí có chứa phân tử bị bao vây bởi trường của các phân tử ngoài sẽ không bằng cường độ điện trường ngoài, mà thông thường được tính theo lý thuyết điện trường.Điện trường trong (E’) là tổng hình học các cường độ điện trường ngoài, gây tác động vào phân tử được quan sát của các phân tử có cực khác của vật chất.Để xác định quan hệ giữa các tham số vĩ mô và các tham số vi mô, ta giả thiết:Giả sử ta có điện môi đồng nhất được đặt trong điện trường E. Trong điện môi tồn tại một khuyết tật nhỏ hình cầu có bán kính r. r được lựa chọn sao cho đủ lớn so với kích thước phân tử, nhưng lại nhỏ so với khoảng cách giữa 2 điện cực.Gọi: E’ là cường độ điện trường tổng tác động lên bề mặt cầu và trong điện môiE: cường độ điện trường ngoàiE1: cường độ điện trường tác động lên bề mặt và trong lòng cầu bởi các phần tử ở phía ngoài tạo nên.E2: cường độ điện trường tác động lên bề mặt và trong lòng cầu bởi các phần tử ở phía trong lòng cầu tạo nên.E’ = E + E1 + E2Để đơn giản, giả sử số lượng phân tử trong cầu rất nhỏ và được sắp xếp một cách đối xứng  E2 = 0E’ = E + E1 kk = 1  dSdE1//dE1dE1ErMật độ điện tích tại mỗi điểm trên mặt cầu (tính theo độ phân cực):Điện tích trên bề mặt:dSdE1//dE1dE1ErKết luận: Cường độ điện truờng tổng trên bề mặt và trong lòng cầu luôn lớn hơn trường độ điện trường ngoài.Độ phân cực P là tổng momen điện của từng điện tích trong thể tích điện môi:(Phương trình Clausius – Mosotti)Tham số vĩ môTham số vi môPhương trình Clausius – Mosotti chỉ có thể áp dụng đối với điện môi không cực, nó không thể áp dụng với mọi điện môi khác.Phương trình Clausius – Mosotti đặc biệt thuận tiện để xác định hệ số điện môi của không khí.Quan hệ giữa  với tần số:Điện môi không cực: Điện môi không cực có trọng tâm của các điện tích (+) trùng với trọng tâm các điện tích (-). Các điện tích hoàn toàn được triệt tiêu cho nên các điện tích không chịu tác động của tần số   là hằng số.QUAN HỆ GIỮA  VỚI CÁC YẾU TỐ KHÁC NHAU = const.f (Hz)Điện môi có cực: Ở vùng tần số f fo: các phần tử lưỡng cực có quán tính, chúng không kịp xoay theo hướng của điện trường   giảm.fof (Hz)1T: nhiệt độ oK: độ nhớt độngr: bán kính phân tửK: hằng số Boltzmann 1,38.10-23 (J/K) Quan hệ giữa  với nhiệt độ:Điện môi không cực: Khi nhiệt độ tăng thì số phân tử trên 1 đơn vị thể tích giảm (N giảm)   giảmTN: số phân tử / 1 đơn vị thể tíchĐiện môi có cực:TKTỞ vùng nhiệt độ to < TK: nhiệt độ tăng,  tăng. Nguyên nhân là do nhiệt độ tăng làm cho độ nhớt của môi trường giảm xuống, sự xoay chuyển của các phần tử lưỡng cực dễ dàng hơn  to tăng,  tăng đến giá trị cực đại. Nếu to tiếp tục tăng thêm,  giảm xuống. Nguyên nhân là ở to quá cao, các phần tử lưỡng cực dao động nhiệt rất mạnh và sự định hướng của chúng trong điện truờng sẽ khó khăn hơn.Đối với điện môi có cực, nếu vừa thay đổi nhiệt độ và tần số: ta sẽ thu được 1 họ đường cong, điểm cực đại trôi về hướng có nhiệt độ cao hơn. Nguyên nhân: tần số càng tăng thì quán tính các phần tử lưỡng cực càng lớn.Tf1 < f2 < f3Muốn giảm quán tính  giảm độ nhớt  to phải tăng lên.Quan hệ giữa  với độ ẩm: Ở điện môi hút ẩm (chỉ xét điện môi có  < nước = 80),  tăng rất nhanh khi độ ẩm tăng lên. Khi độ ẩm tăng lên sẽ làm giảm tính chất khác của điện môi. Như: điện trở suất giảm, tổn hao điện môi tăng lên.PĐiện môi không cựcQuan hệ giữa  với áp suất: Ở điện môi tuân theo định luật Clausisius – Mosotti thì hệ số điện môi phải tăng khi áp suất tăng lên do tăng mật độ vật chất.  = 1+ A.p (A – hằng số , p – là áp suất)PKP Đối với điện môi có cực, khi áp suất tăng lên có nhiều phần tử lưỡng cực xoay theo hướng điện trường  P tăng   tăng. Nếu P tăng qua giá trị cực đại Pk thì khi P tiếp tục tăng sẽ làm  giảm. Nguyên nhân do mật độ phân tử quá cao, chính chúng làm cản trở sự xoay chuyển của các phần tử   giảm.Điện môi có cựcHệ số nhiệt điện môiQuan hệ giữa  với điện áp: Theo lý thuyết,  không phụ thuộc điện áp. Tuy nhiên, trên thực tế người ta đo được hệ số điện môi ở điện áp cao có giá trị nhỏ hơn  đo ở điện áp thấp.: là hệ số nở dài của điện môi theo nhiệt độHệ số nhiệt điện dungMắc song song:HỆ SỐ ĐIỆN MÔI CỦA HỢP CHẤT12hTụ điện có 2 điện môi mắc song songĐặt:Tổng quát:Mắc nối tiếp:Đặt:Tổng quát:12hTụ điện có 2 điện môi mắc nối tiếph1h2Trên thực tế, điện môi hỗn hợp được trộn lẫn vào nhau vì thế nó không hoàn toàn mắc song song hay mắc nối tiếp. Giá trị thật của điện môi hỗn hợp nằm giữa giá trị mắc song song và mắc nối tiếp.Quan hệ giữa  tương đương với tỉ lệ 2 chất A và B*0% B100% A100% B0% A231(1): liên kết song song(2): liên kết nối tiếp(3): liên kết tĩnh (trộn đều trong thế tích)Bài tập:Hãy xác định phần trăm điện môi sao cho * có giá trị bằng 10. Cho 1 = 3, 2 = 15.Trường hợp mắc song song 2 điện môi.Trường hợp mắc nối tiếp 2 điện môiTrộn đều 2 điện môi12hTụ điện có 2 điện môi mắc song song12hTụ điện có 2 điện môi mắc nối tiếph1h2Giải:Mắc song song:Mắc nối tiếp:12hMắc song song12hMắc nối tiếph1h2Trộn đều 2 điện môi:Bài tập:Cho 2 khối vuông điện môi rắn bằng nhau, lần lượt có 1 và 2. Nếu: + Chúng được mắc song song: * = 20 + Chúng được mắc nối tiếp: * = 6Xác định 1 và 212hTụ điện có 2 điện môi mắc song song12hTụ điện có 2 điện môi mắc nối tiếph1h2Mắc song song:ĐIỆN TRƯỜNG TRONG ĐIỆN MÔI KHÔNG ĐỒNG NHẤT12hTụ điện có 2 điện môi mắc song songMắc nối tiếp:12hTụ điện có 2 điện môi mắc nối tiếph1h2Nếu 1 < 2, ta có:Bài tập: Cho 3 điện môi đồng nhất có cùng độ dày và tiết diện bằng nhau, được mắc nối tiếp và đặt trong điện trường E = 210(V/m). 1 = 22= 33 . Hãy xác định cường độ điện trường E1.1h2h3hUBài tập: Cho 3 điện môi đồng nhất có cùng độ dày và tiết diện bằng nhau, được mắc nối tiếp và đặt dưới điện áp U = 200(V). 1 = 22= 33 . Hãy xác định U3.1h2h3hUCBGD: ThS. Nguyễn Hữu VinhEmail: huuvinhdct@gmail.com