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

CHƯƠNG 7
ĐIỆN MÔI
HÀ NỘI 
2017
1 Nguyễn Xuân Thấu -BMVL
2- 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
- 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 106 đến 1015 Ω.m, trong khi điện trở suất của kim loại cỡ
10-8 đến 10-6 Ω.m
31. 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.
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:
0E E E 
  
41. 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.
Phân tử có thể được coi gần đúng như một lưỡng cực điện có mô men
lưỡng cực điện
ep ql

51. 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.
e 0 0p E  

α – độ phân cực của phân tử
61. 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 
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.
7Kết 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.
1. SỰ PHÂN CỰC CỦA CHẤT ĐIỆN MÔI
1.2. Giải thích hiện tượng phân cực điện môi
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.
82. VÉC-TƠ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI
2.1. Định nghĩa
Để đặc trưng cho mức độ phân cực của điện môi, người ta dùng đại lượng
vật lý là véc-tơ phân cực điện môi, ký hiệu là:
eP

đo bằng tổng các mômen điện của các phân tử có trong một đơn vị thể tích
của khối điện môi.
n
ei
i 1
e
p
P
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).
92. 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 và mật độ điện mặt của các điện tích liên
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.
eP

Xét một khối điện môi đồng chất, đẳng hướng, đặt
trong điện trường ngoài
0E

Xét một hình trụ đủ nhỏ, có 2 đáy nằm trên 2 mặt
tấm điện môi, các đường sinh song song với véc-tơ
cường độ điện trường
0E

Khi đó hình trụ coi như một lưỡng
cực điện có mômen điện: eip p q l S l
   
    
10
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
ei
i 1
e
p
p S l
P
V V Slcos
 


 
  
  


Suy ra: e
'
| P |
cos
 


Hay: e en' P cos P   
Vậy: Mật độ điện tích liên kết bằng hình chiếu của vectơ phân cực lên pháp
tuyến của mặt giới hạn.
11
3. ĐIỆN TRƯỜNG TỔNG HỢP TRONG ĐIỆN MÔI
3.1. Điện trường trong lòng chất điện môi
0E



























E

E

Gọi là điện trường gây bởi 2 mặt phẳng mang điện
được lấp đầy chất điện môi cần nghiên cứu.
0E

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 vớiE

0E

0E E E 
  
0E E E '  
Đối với chất điện môi đồng chất, đẳng hướng: e e 0P E
 
   (e gọi là độ cảm điện)
E’ là cường độ điện trường gây bởi 2 mặt phẳng song
song vô hạn:
0 en 0E / P /     
0 e n 0 0 e 0 eE E / E / E          
12
3. ĐIỆN TRƯỜNG TỔNG HỢP TRONG ĐIỆN MÔI
3.1. Điện trường trong lòng chất điện môi
0E



























E

E

0 e
E E E    0 0
e
E E
E
1
 
  
Vậy: cường độ điện trường trong lòng chất điện môi
giảm đi  lần so với cường độ điện trường trong
chân không.
13
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.
 
 
0 e
0 e 0 0 e
0 e
D E; 1
D 1 E E E
D E P *
      
        
  
 
   
  
0
e 0 e
D E
P E
  
  
 
 
Hai công thức này chỉ đúng trong trường hợp các môi
trường là đồng chất và đẳng hướng.
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
véc-tơ điện cảm không cùng phương chiều với véc-tơ . Khi đó
véc-tơ phải được tính theo công thức (*)
eP

E

D

E

D

Theo định nghĩa:
14
Chất điện môi  Chất điện môi 
Chân không 1 Parafin 2,2 – 2,3 
Không khí 1,0006 Cao su mềm 2,6 – 3 
Dầu hỏa 2,1 Mica 4 – 5,5
Nhựa thông 3,5 Thủy tinh 4 – 10 
Ebônit 2,7 – 3 Sứ 6,3 – 7,5
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.
15
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.
16
4. ĐIỆN MÔI ĐẶC BIỆT
4.1. Điện môi Seignette
Khi tăng nhiệt độ tới quá một nhiệt độ TC (gọi là nhiệt độ Curie),
Seignette mất hết các tính chất đăc biệt, trở thành điện môi bình
thường.
17
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.
+
+
+
+
-
-
-
-
- +
-
-
+
+
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
Hiệu ứng áp địện nghịch được ứng dụng để
chế tạo các máy phát sóng siêu âm.
18
Bài tập cần làm 3.1, 3.3, 3.4, 3.5, 3.8.
19
HẾT