Bài giảng Vật lý đại cương 1 - Chương 7: Điện môi

CHƯƠNG 7

ĐIỆN MÔI

Nguyễn Xuân Thấu -BMVL

1

HÀ NỘI

2017

- Là những chất trong điều kiện bình thường hầu như không dẫn điện

- Theo Vật lý cổ điển, là những chất không có các hạt mang điện tích tự do

2

- Các chất khí không bị ion hóa, một số chất lỏng (benzen, nước cất, dầu

mỏ, dầu thực vật…) và các chất rắn (thủy tinh, đồ sứ, mica…)

- Điện trở suất cỡ 10⁶đến 10¹⁵Ω.m, trong khi điện trở suất của kim loại cỡ

10^-8đến 10^-6Ω.m

1. SỰ PHÂN CỰC CỦA CHẤT ĐIỆN MÔI

1.1. Hiện tượng phân cực điện môi

Hiện tượng xuất hiện các điện tích trên thanh điện môi khi nó đặt trong điện

trường ngoài được gọi là hiện tượng phân cực điện môi.

Đối với các thanh đồng chất đẳng hướng thì

trong lòng thanh không xuất hiện điện tích, còn

đối với thanh điện môi không đồng chất và đẳng

hướng thì trong lòng thanh có xuất hiện điện tích.

3

Có vẻ giống điện hưởng nhưng các điện tích trên các mặt giới hạn của chất

điện môi là điện tích liên kết.

Các điện tích liên kết gây ra điện trường phụ

  

Điện trường tổng hợp trong chất điện môi:



E  E₀ E

1. SỰ PHÂN CỰC CỦA CHẤT ĐIỆN MÔI

1.2. Giải thích hiện tượng phân cực điện môi

Khi xét tương tác giữa các electron của mỗi nguyên tử, phân tử với điện

tich hay điện trường ngoài, ta coi tác dụng của các electron tương đương

như một điện tích điểm tổng cộng –q đứng yên tại một vị trí trung bình nào

đó – gọi là tâm của các điện tích âm.

Tương tự, tác dụng của hạt nhân tương đương như một điện tích +q đặt tại

tâm của các điện tích dương.

Khi chưa có điện trường ngoài, tâm của các điện tích dương và tâm của các

điện tích âm có thể trùng nhau hoặc lệch nhau.

4

Phân tử có thể được coi gần đúng như một lưỡng cực điện có mô men

lưỡng cực điện



p_e ql

1. SỰ PHÂN CỰC CỦA CHẤT ĐIỆN MÔI

1.2. Giải thích hiện tượng phân cực điện môi

Nếu tâm của các điện tích dương và tâm của các điện tích âm trùng nhau

thì phân tử gọi là không phân cực.

Ví dụ: H₂, N₂, O₂, Cl₂, CCl₄

Trong điện trường ngoài các điện tích dương và âm bị điện

trường ngoài tác dụng, dịch chuyển ngược chiều, phân tử trở

thành 1 lưỡng cực điện có mômen điện khác 0.

5



p_e ₀E₀

α – độ phân cực của phân tử

1. SỰ PHÂN CỰC CỦA CHẤT ĐIỆN MÔI

1.2. Giải thích hiện tượng phân cực điện môi

Nếu tâm của các điện tích dương và tâm của các điện tích âm không trùng

nhau thì phân tử gọi là phân cực.

Ví dụ: H₂O, NH₃, NaCl …

6

Khi không có điện trường

phân tử đã là một lưỡng

cực điện có mômen điện

khác không.

Khi đặt trong điện trường,

các mômen lưỡng cực

được định hướng theo điện

trường ngoài.

1. SỰ PHÂN CỰC CỦA CHẤT ĐIỆN MÔI

1.2. Giải thích hiện tượng phân cực điện môi

Kết quả, trong lòng chất điện môi các điện tích trái dấu của các lưỡng cực

phân tử vẫn trung hòa nhau, nhưng ở hai mặt giới hạn, xuất hiện các điện

tích trái dấu – điện tích liên kết.

7

Điện trường ngoài càng mạnh, sự phân cực càng rõ rệt.

Khi cắt bỏ điện trường ngoài thì hiện tượng phân cực điện môi cũng mất

theo ngay.

2. VÉC-TƠ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI

2.1. Định nghĩa

^{Để đặc trưng cho mức độ phân cực của điện m}^{ôi, người ta dùng đại lượng}

vật lý là véc-tơ phân cực điện môi, ký hiệu là:

P

e

đo bằng tổng các mômen điện của các phân tử có trong một đơn vị thể tích

của khối điện môi.

n



p



ei



i1

P_e

8

V

+ Vectơ phân cực điện môi là một đại lượng vĩ mô, được coi như một

mômen lưỡng cực điện ứng với một đơn vị thể tích của chất điện môi.

+ Đơn vị đo của vectơ phân cực điện môi là C/m²(trùng với đơn vị đo mật

độ điện tích mặt).

2. VÉC-TƠ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI

2.2. Liên hệ giữa véc-tơ phân cực điện môi và mật độ điện mặt của các

điện tích liên kết



Vì véc-tơ phân cực điện môi

kết trên mặt giới hạn của khối điện môi đều đặc trưng cho mức độ phân cực

điện môi nên chúng có liên hệ với nhau.

và mật độ điện mặt của các điện tích liên

P

e

Xét một khối điện môi đồng chất, đẳng hướng, đặt



trong điện trường ngoài

E₀

Xét một hình trụ đủ nhỏ, có 2 đáy nằm trên 2 mặt

9

tấm điện môi, các đường sinh song song với véc-tơ



cường độ điện trường

E₀



Khi đó hình trụ coi như một lưỡng

cực điện có mômen điện:



p  p  q l   S l



ei

2. VÉC-TƠ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI

2.2. Liên hệ giữa véc-tơ phân cực điện môi và mật độ điện mặt của các

điện tích liên kết

Mà, vectơ phân cực của khối điện môi trong hình trụ đó :

n



p





ei





p  S l

i1

P_e

 

V V Slcos



'

cos

Suy ra:

| P_e|

10

'  P cos  P

Hay:

e

en

Vậy: Mật độ điện tích liên kết bằng hình chiếu của vectơ phân cực lên pháp

tuyến của mặt giới hạn.

3. ĐIỆN TRƯỜNG TỔNG HỢP TRONG ĐIỆN MÔI

^{3.1. Điệ}^{n trường trong lòng chất điện môi}



E₀

Gọi ₀là điện trường gây bởi 2 mặt phẳng mang điện

E

được lấp đầy chất điện môi cần nghiên cứu.







Trên mặt giới hạn của chất điện môi xuất hiện các điện









^{tích trái dấu có mật độ lần lượt}^{là –σ và +σ. Các điện}



tích này gây ra điện trường phụ ngược chiều với

E

E₀



E

  



 E  E  E'



E  E₀ E



E

0

E’ là cường độ điện trường gây bởi 2 mặt phẳng song

11



^{song vô}^hạn:

E   / ₀ P / ₀

en

Đối với chất điện môi đồng chất, đẳng hướng: ^



(_egọi là độ cảm điện)

P_e _e₀E



E  ₀_eE_n/ ₀ ₀_eE / ₀ _eE

3. ĐIỆN TRƯỜNG TỔNG HỢP TRONG ĐIỆN MÔI

^{3.1. Điệ}^{n trường trong lòng chất điện môi}

E₀



 E  E₀ _eE 

E 







1 _e









Vậy: cường độ điện trường trong lòng chất điện môi

giảm đi  lần so với cường độ điện trường trong

chân không.





E





E

12



3. ĐIỆN TRƯỜNG TỔNG HỢP TRONG ĐIỆN MÔI

3.2. Liên hệ giữa véc tơ cảm ứng điện và véc tơ phân cực điện môi.

Theo định nghĩa:



D  ₀E;  1 _e

 

D   1  E   E    E



₀

   ^e

D   E  P *



 

0

0 e

0

e



D  ₀E

Hai công thức này chỉ đúng trong trường hợp các môi

trường là đồng chất và đẳng hướng.



e



13

P  ₀_eE

Trong trường hợp điện môi không đồng chất và không đẳng hướng, véc-tơ



phân cực điện môi không tỷ lệ với véc-tơ cường độ điện trường nên

P

E



e



véc-tơ điện cảm

không cùng phương chiều với véc-tơ . Khi đó

E

D



véc-tơ phải được tính theo công thức (*)

D

3. ĐIỆN TRƯỜNG TỔNG HỢP TRONG ĐIỆN MÔI

3.1. Liên hệ giữa véc tơ cảm ứng điện và véc tơ phân cực điện môi.

Chất điện môi

Chân không

Không khí



1

Chất điện môi

Parafin



2,2 – 2,3

2,6 – 3

1,0006

Cao su mềm

14

Dầu hỏa

2,1

3,5

Mica

4 – 5,5

4 – 10

Nhựa thông

Thủy tinh

Ebônit

2,7 – 3

Sứ

6,3 – 7,5

4. ĐIỆN MÔI ĐẶC BIỆT

4.1. Điện môi Seignette

Muối seignette có công thức NaK(C₂H₂O₃)₂.4H₂O (bi tactrat K, Na

ngậm nước) hoặc BaTiO₃(titanat bari)

Đặc tính của điện môi seignette:

Hệ số điện môi của séc nhét phụ thuộc vào nhiệt độ, có giá trị rất lớn.

Vectơ phân cực Pe không tỉ lệ bậc nhất với cường độ điện trường trong

lòng chất điện môi.

Giá trị của Pe phụ thuộc cường độ điện trường E và trạng thái phân cực

trước đó của điện môi.

15

4. ĐIỆN MÔI ĐẶC BIỆT

4.1. Điện môi Seignette

16

Khi tăng nhiệt độ tới quá một nhiệt độ T_C(gọi là nhiệt độ Curie),

Seignette mất hết các tính chất đăc biệt, trở thành điện môi bình

thường.

4. ĐIỆN MÔI ĐẶC BIỆT

4.2. Hiệu ứng áp điện

Năm 1880 nhà vật lí Pierre Curie và Jacques Curie đã phát hiện ra hiện

tượng : khi kéo giãn hoặc nén tinh thể điện môi theo các phương đặc biệt

trong tinh thể thì trên các mặt giới hạn của tinh thể có xuất hiện các điện

tích trái dấu. Hiện tượng đó được gọi là hiệu ứng áp điện thuận.

Ngược lại, nếu ta áp lên hai mặt tinh thể một hiệu điện thế thì nó sẽ bị

dãn hoặc nén. Đó là hiệu ứng áp điện nghịch

Hiệu ứng áp địện thuận được ứng dụng để

biến các dao động cơ thành các dao động

điện.

17

+

-

+

-

Hiệu ứng áp địện nghịch được ứng dụng để

chế tạo các máy phát sóng siêu âm.

Bài tập cần làm 3.1, 3.3, 3.4, 3.5, 3.8.

18

HẾT

19

Bài giảng Vật lý đại cương 1 - Chương 7: Điện môi - Nguyễn Xuân Thấu