Vật liệu điện - Điện tử - TPN - Chương 6 Chương 8.pdf

vật liệu điện

1. 1
VẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
★TS. Trần Phương Nam
★Email: [email protected]
★Phone: [phone]

2. 2
Kiến thức cần thiết
★Vật lý I, II,
★Hóa học
★Lý thuyết trường
Tài liệu học tập
★Vật liệu điện -điện tử, Dương Vũ Văn
★Giáo trình VLKTĐ -PGS.TS.Nguyễn Đình Thắng
★Vật lý chất rắn -Nguyễn Thị Bảo Ngọc

3. 3
Chương 6. Các quá trình điện lý của điện môi
1.Các khái niệm cơ bản về tĩnh điện
1.1. Định luật Coulomb
Khi đặt hai điện tích điểm q
1 và q
2 cách nhau một
khoảng r trong môi trường có hằng số điện môi
tương đối ε
r , lực tương tác F giữa chúng có độ lớn:
Lực tương tác F này nằm trên đường thẳng nối hai điện tích, nó mang dấu âm (-)
nếu hai điện tích hút nhau và mang dấu dương (+) nếu hai điện tích đẩy nhau.
K là hằng số có độ lớn:
Với ε
0 là hằng số điện môi của chân không:

4. 4
Chương 6. Các quá trình điện lý của điện môi
1.Các khái niệm cơ bản về tĩnh điện
1.1. Định luật Coulomb
Dưới dạng véc tơ, lực tương tác giữa hai điện tích có dạng sau:.
(véc tơ khoảng cách giữa hai điện tích) hướng của nó tùy thuộc vào điện tích mà
chọn làm gốc
Đối với hệ có n điện tích điểm, dùng nguyên lý xếp chồng ta viết được biểu thức
tổng hợp lực của n-1 điện tích lên một điện tích thứ i như sau:

5. 5
Chương 6. Các quá trình điện lý của điện môi
1.Các khái niệm cơ bản về tĩnh điện
1.2. Điện trường
•Là môi trường vật chất đặc biệt, tồn tại xung quanh các
điện tích và tác dụng lực lên điện tích khác đặt trong nó.
•Do vậy, điện trường được đặc trưng bởi sự kiện là khi ta
đặt một điện tích thử q
0 vào một điểm đặt trong môi
trường có điện tích q và cách q một khoảng là r, điện
tích thử sẽ chịu một lực tác dụng đặc trưng bởi
định luật Coulom.
•Cường độ điện trường tạo bởi điện tích q lên một đơn vị
điện tích thử q
0 được xác định bằng lực tác dụng của
trường lên một đơn vị điện tích thử q
0 :
(chú ý rằng điện tích thử q0 được coi là dương)
•Nguyên lý xếp chồng cũng được áp dụng cho điện trường gây bởi một tập hợp các vật
mang điện lên một điện tích thử. Do đó biểu thức của cường độ điện trường gây bởi tập
hợp các vật mang điện lên một điện tích thử được viết như sau

6. 6
1.3. Thông lượng của cường độ điện trường
Định nghĩa thông lượng của cường độ điện trường qua một mặt dS rất
nhỏ là một đại lượng được xác định bởi công thức:
Do đó, thông lượng của điện trường qua một mặt cầu có bán kính r là tích
phân của toàn bộ thông lượng xác định bởi công thức lên toàn bộ mặt cầu:
Tích phân của một đơn vị diện tích dS trên toàn bộ mặt cầu chính là diện
tích của mặt cầu S=4πr2
Do đó thông lượng của véc tơ điện trường gây bởi điện tích q được xác định
bởi công thức:

7. 7
1.3. Thông lượng của cường độ điện trường

8. 8
Chương 6. Các quá trình điện lý của điện môi
2. Điện môi đặt trong điện trường không đổi
2.1 Lưỡng cực điện
❖Cũng giống như các vật chất khác, vật liệu điện môi chứa hai loại điện tích
dương và âm với số lượng bằng nhau.
❖Tuy nhiên không giống như trong vật dẫn, các điện tích trong điện môi không
thể chuyển động tự do bên trong vật liệu dưới tác dụng của điện trường.
❖ Xét một nguyên tử điện môi trung hòa về điện bao gồm các điện tích dương
Q và điện tích âm –Q với số lượng bằng nhau,
❖Các điện tích này không phải là điện tích tự do mà chúng liên kết với nhau
bằng một lực đàn hồi giống như trong một lò xo.
❖Khi đặt điện trường lên nguyên tử của điện môi, các điện tích dương bị kéo
theo chiều của điện trường và các điện tích âm bị kéo ngược chiều điện trường.
Lò xo tưởng tượng này bị kéo giãn ra

9. 9
Chương 6. Các quá trình điện lý của điện môi
2. Điện môi đặt trong điện trường không đổi
2.1 Lưỡng cực điện
❖Như vậy dưới tác dụng của điện trường, nguyên tử biến thành một hệ tạo
bởi hai nhóm các điện tích trái dấu cách nhau một khoảng cách d. Người ta gọi
hệ như vậy là một lưỡng cực điện.
❖Độ lớn của một lưỡng cực điện được đặc trưng bởi khái niệm véc tơ mô men
lưỡng cực điện:
❖Véc tơ mô men lưỡng cực điện có hướng từ điện tích âm hướng đến
điện tích dương.
❖Đơn vị của mômen lưỡng cực điện là Debye (ký hiệu là D) hoặc C.m với hệ
số quy đổi là 1D =3.33.10
-30
C.m.

10. 10
Chương 6. Các quá trình điện lý của điện môi
2. Điện môi đặt trong điện trường không đổi
2.2. Hiện tượng phân cực
A. Hằng số điện môi
✓Đặt một tụ điện phẳng dưới một hiệu điện thế cố định V,
hai bản tụ đặt trong chân không và cách nhau một khoảng
cách d.
✓Khi đó các bản tụ được nạp lần lượt điện tích +Q
0 và –Q
0,
điện tích này gọi là điện tích thực với trị số ±Q
0=σS với S là
diện tích bề mặt của bản tụ.
✓Điện trường bên trong bản tụ là đều, có hướng từ bản cực tích điện dương
sang bản tụ tích điện âm và có độ lớn:
✓Điện dung của tụ điện được định nghĩa là tỉ số giữa điện tích trên bản tụ và điện
thế đặt giữa hai bản tụ, đối với tụ điện chân không của chúng ta có giá trị C
0

11. 11
A. Hằng số điện môi
❖Nếu ta vẫn giữ không đổi hiệu điện thế V giữa hai bản tụ và đặt vào giữa chúng
một vật liệu điện môi. Dưới ảnh hưởng của điện trường E các lưỡng cực sẽ xuất
hiện (điện tích + dịch chuyển theo chiều điện trường và điện tích – ngược chiều
điện trường).Đó chính là hiện tượng phân cực như ta đã nói ở phần 2.1
❖Nếu ta coi điện môi đồng chất, đẳng hướng và tuyến tính, các lưỡng cực trong
điện môi sẽ sắp xếp tạo thành các chuỗi song song với nhau và vuông góc với bản
cực tụ điện.
Hiện tượng phân cực trong điện môi khi đặt trong điện trường
❖Theo cách sắp xếp này, các điện tích trái dấu của các lưỡng cực nối đuôi nhau sẽ
trung hòa lẫn nhau và do vậy điện môi được hình dung như một lưỡng cực lớn với
các điện tích phân cực – và + ở phía ngoài cùng của các chuỗi, tiếp giáp với bề mặt
của bản tụ.

12. 12
A. Hằng số điện môi
❖Sự xuất hiện của các nhóm điện tích trên bề mặt điện môi tiếp giáp với bản
tụ sẽ chia điện tích thực Q trên bản tụ thành hai nhóm:
- Nhóm điện tích liên kết P để ghép đôi với các điện tích trái dấu
trên bề mặt điện môi nhằm trung hòa các điện tích phân cực của điện môi
- Nhóm điện tích tự do Q
0 tạo nên hiệu điện thế V.
❖Do hiệu điện thế V không đổi, điều này có nghĩa là đã có thêm điện tích
được tích tụ trên bề mặt bản tụ so với khi chưa đặt điện môi vào hay là
Q=P+Q
0.
❖Điều đó có nghĩa là điện dung của tụ điện có chứa điện môi đã tăng lên và
được xác định bởi công thức:
❖Tỉ số của điện dung tụ điện sau và trước khi đặt vật liệu điện môi vào chính là
hằng số điện môi tương đối ε của vật liệu

13. 13
A. Hằng số điện môi
❖Chú ý rằng trong trường hợp tụ điện chân không, điện trường và điện tích
trên bản tụ được liên hệ với nhau bởi công thức:
Thay vào công thức trên ta được:
Hay là
❖Công thức này chính là công thức mô tả quan hệ giữa véc tơ phân cực điện
môi với điện trường trong điện môi tuyến tính

14. 14
Tên chất khí Bán kính p.tử R
pt ν ν
2
ε (20
0
C, 760mmHg)
Hyđrô 1,35 1,00014 1,00028 1,00027
Ôxy 1,82 1,00027 1,00054 1,00055
Nitơ 1,91 1,00030 1,00060 1,00060
Êtylen 2,78 1,00065 1,000130 1,000138
P (at) ε
Không khí ε
CO2 ε
Nitơ
1 1,00058 1,00098 1,0006
20 1,0108 1,020 1,0109
40 1,0218 1,050 1,055
Nhiệt độ,
o
C ε
Không khí
+60 1,00052
+20 1,00058
-60 1,00081
Độ ẩm (%) ε
Không khí
0 1,00058
50 1,00060
100 1,00064
BảngquanhệđộẩmvớihằngsốđiệnmôiBảng quan hệ nhiệt độ với hằng số điện môi
Bảng: Quan hệ áp suất vớihằng số điện môi
Bảng:Quanhệbánkínhphântửvớihệsốkhúcxạánhsángvàhằngsốđiệnmôi
A. Hằng số điện môi

15. 15
Chương 6. Các quá trình điện lý của điện môi
2. Điện môi đặt trong điện trường không đổi
2.2. Hiện tượng phân cực
B. Các loại phân cực điện môi
•Hiện tượng phân cực trong điện môi được hiểu như là hậu quả của sự dịch
chuyển khỏi vị trí cân bằng của các điện tích trong điện môi dưới tác dụng của E.
•Xét ở mức độ phân tử, ta có thể nói ảnh hưởng của E lên mỗi phân tử là nó gây
lên một một lưỡng cực điện ở mỗi phân tử. Độ lớn của mô men lưỡng cực µ
phụ thuộc vào cường độ điện trường nội bộ trong phân tử EL theo quan hệ:
Hệ số tỉ lệ α được gọi là hệ số phân cực của phân tử.
•Nếu trong một đơn vị thể tích điện môi có chứa N0 phân tử thì véc tơ phân cực P
được tính theo công thức sau:

16. 16
Chương 6. Các quá trình điện lý của điện môi
2. Điện môi đặt trong điện trường không đổi
2.2. Hiện tượng phân cực
B. Các loại phân cực điện môi
•Thực tế điện môi chứa nhiều loại điện tích liên kết và điện tích tự do khác
nhau, khả năng dịch chuyển của các loại điện tích này dưới tác dụng điện
trường vì thế cũng khác nhau.
•Do đó phân cực trong điện môi cũng là tổng hợp của các phân cực thành phần
tồn tại bên trong điện môi, ứng với mỗi loại phân cực là một hệ số phân cực α
khác nhau. Các thành phần phân cực chủ yếu trong điện môi bao gồm:
1. Phân cực điện tử - α
e
2. Phân cực ion - α
i
3. Phân cực định hướng - α
d
4. Phân cực tiếp giáp (phân cực Maxwell-Wagner)

17. 17
Chương 6. Các quá trình điện lý của điện môi
B. Các loại phân cực điện môi
µ
i=0
µ
i=0
µ
i0
µ
i0
µ
i0
µ
i=0
a.Phân cực điện tử: Sự hình thành 1 lưỡng cực trong 1 nguyên tử do E ngoài đặt vào.
Khi có quỹ đạo cđ của điện tử bị lệch đi-> hình thành hiện tượng phân cực e.
b.Phân cực ion: Đặt vào E->dãn ra. Đặc trưng cho vật liệu có liên kết ion.
c.Phân cực định hướng: Đặt E, các lưỡng cực sẽ định hướng lại theo hướng E ngoài.
d.Phân cực tiếp giáp: Đặc trưng cho vật liệu có nhiều thành phần. Đặt E, các điện
tích trong từng thành phần sẽ dịch chuyển và bị tắc (dồn ứ) ở khu vực tiếp giáp
giữa 2 vật liệu và hình thành nên các lưỡng cực ở lớp tiếp giáp.

18. 18
Chương 6. Các quá trình điện lý của điện môi
Phân cực điện tử

19. 19
Chương 6. Các quá trình điện lý của điện môi
Phân cực ion

20. 20
Chương 6. Các quá trình điện lý của điện môi
C. Các ví dụ:
Example 1: Tìm điện dung của một lớp điện môi Al
2O
3dày 0,5 m và 2000 mm
2
diện tích hình vuông (
r= 8.854 ×10
–12
F/m)

21. 21
Chương 6. Các quá trình điện lý của điện môi
C. Các ví dụ:
Example 2:Nếu một tinh thể ion phải chịu một điện trường 1000 V/m và vectơ
phân cực là 4.3 ×10
-8
cm
2
. Tính độ hằng số điện môi tương đối của NaCl.

22. 22
Chương 6. Các quá trình điện lý của điện môi
C. Các ví dụ:
Example 3:Tính hệ số phân cực điện tử của nguyên tử argon. Cho 
r= 1,0024 và
N = 2,7 ×1025 nguyên tử/m
-3
.

23. 23
Chương 6. Các quá trình điện lý của điện môi
2. Điện môi đặt trong điện trường không đổi
2.3. Điện trường nội bộ ( E
L)
❑Trong các tính toán hệ số phân cực ở phần trước, chúng ta đều tìm ra mối liên
hệ giữa mômen lưỡng cực của một phần tử phân cực và điện trường nội bộ
trong phân tử E
L.
❑E
L không phải là điện trường ngoài đặt lên phần tử điện môi mà nó là điện
trường đích thực gây lên hiện tượng phân cực của các phần tử trong điện môi
hay còn gọi là điện trường nội bộ.
❑Phần tử phân cực nằm trong điện môi chịu ảnh hưởng của điện trường
ngoài và điện trường tạo bởi các phần tử phân cực nằm xung quanh nó.
Do đó điện trường nội bộ E
L là tổng hợp của điện trường ngoài E (do hiệu điện
thế V đặt giữa hai bản cực của tụ điện tạo nên) và điện trường gây bởi các
lưỡng cực xung quanh lưỡng cực mà ta đang xét.

24. 24
Chương 6. Các quá trình điện lý của điện môi
2. Điện môi đặt trong điện trường không đổi
2.3. Điện trường nội bộ ( E
L)
❑Vì thế điện trường nội bộ có thể chia làm hai thành phần chính:
Với E
D là điện trường tổng hợp của các phần tử lưỡng cực trong điện môi
lên phần tử đang xét, trừ điện trường của phần tử đang xét.
Điện trường nội bộ gây lên phân cực của phần tử điện môi:
Thay P từ công thức ta được:

25. 25
Chương 6. Các quá trình điện lý của điện môi
2. Điện môi đặt trong điện trường không đổi
2.4. Phương trình Clausius Mosotti
❑Tính toán mô men lưỡng cực gây bởi điện trường này lên một phần tử lưỡng cực
❑Như vậy, véc tơ phân cực tổng cộng của một đơn vị thể tích điện môi có chứa N
0
phần tử lưỡng cực là
Thay thế P từ công thức ta được phương trình Clausius-Mosotti
Nếu gọi Mp là khối lượng phân tử của điện môi (kg/mol), ρ mật độ khối (kg/m
3
)
còn NA là hằng số Avogadro thì:

26. 26
Nếu gọi M
p là khối lượng phân tử của điện môi (kg/mol)
ρ mật độ khối (kg/m
3
)
N
A là hằng số Avogadro thì:
Phương trình Clausius- Mosotti trở thành:
Người ta gọi R là hệ số phân cực phân tử
➢Ở tần số cao, Maxwell đã tìm ra mối liên hệ giữa hệ số khúc xạ ánh sáng n và
hằng số điện môi theo công thức:
Thay thế vào phương trình trên ta được phương trình Lorentz
Phương trình này cho phép tính hệ số phân cực phân tử R từ một đại lượng
quan sát được là hệ số khúc xạ ánh sáng .
2.4. Phương trình Clausius Mosotti
Lưu ý rằng quan hệ này chỉ có giá trị ở tần số cao, do đó hệ số phân cực α ở đây
chỉ bao gồm hệ số phân cực điện tử và hệ số phân cực ion, còn phân cực định
hướng và phân cực tiếp giáp không đủ thời gian để phản ứng với tần số cao.

27. 27
➢Ở tần số tương đối thấp, đóng góp của hệ số phân cực điện tử và ion là không
đáng kể và hiện tượng phân cực trong điện môi chỉ do loại phân cực định hướng
quyết định. Từ phương trình Clausius- Mosotti:
Thay phương trình của α
0 theo nhiệt độ ta được:
2.4. Phương trình Clausius Mosotti
Từ đó ta rút ra:
Đặt:
Ta được:
Điều này có nghĩa là khi nhiệt độ của điện môi bằng nhiệt độ tới hạn TC (hay còn gọi
là nhiệt độ Curie) tính bằng công thức trên, hằng số điện môi sẽ tiến tới vô cùng có
nghĩa là tất cả các lưỡng cực sẽ định hướng song song với điện trường ngay cả khi
không có điện trường. Người ta gọi hiện tượng này là thảm họa sắt điện hay thảm
họa Mosotti.

28. 28
Chương 6. Các quá trình điện lý của điện môi
3. Điện môi đặt trong điện trường thay đổi
➢Trong thực tế, nghiên cứu phản ứng của điện môi khi đặt dưới điện
trường tĩnh chỉ là một khía cạnh rất nhỏ trong khoa học vật liệu nói
chung và trong các ứng dụng thực tế nói riêng.
➢Phần lớn những kết quả thực nghiệm, lý thuyết và các công nghệ hiện
đại liên quan đến vật liệu điện môi đều được tiến hành ở điện trường
thay đổi.
➢Trong ngành kỹ thuật điện rõ ràng các ứng dụng của vật liệu điện môi
hay nói hẹp lại là vật liệu cách điện đều liên quan đến việc sử dụng
chúng dưới điện áp xoay chiều hình sin hay điện áp xung.

29. 29
Chương 6. Các quá trình điện lý của điện môi

30. 30
7.3 Tính chất cơ học của điện môi
7.3.1 Độ bền chịu kéo, nén, uốn (σ
K
, σ
N
, σ
U
)
Phụ thuộc vào diện tích tiết diện của vật liệu. Ví dụ: sợi thuỷ tinh: đường kính sợi
giảm → các σ tăng; Khi đường kính giảm xuống còn 0,01mm thì nó đạt ngang độ bền
của dây đồng.
Các σ còn phụ thuộc vào nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng thì các σ giảm.
7.3.2 Tính giòn
Biểu thị bằng độ dài va đập vd
A
S
= [kg.cm/cm
2
]
7.3.2 Độ cứng: Biểu thị khả năng của bề mặt vật liệu
chống lại các biến dạng gây bởi lực nén truyền từ vật liệu
có kích thước bé hơnh
P
D c
P
T
.D.h
=

Với: D - đường kính viên bi thép
h - độ lún
P - lực nén
Với: A - năng lượng để bẻ gãy mẫu vật có tiết diện S (kg.cm)
S - diện tích mẫu vật (cm
2
)
7.4 Tính chất hoá học của điện môi
-Bền vững về mặt hoá học nghĩa là không bị phân huỷ hoá học, không gây ăn mòn với các
vật liệu tiếp xúc nó, không gây phản ứng hoá học với axit, kiềm và muối.
- Chịu được các gia công hoá học: mài mòn bằng dung dịch hoá học
- Bền vững với những bức xạ năng lượng cao: bức xạ mặt trời, bức xạ của các tia vũ trụ…
Chương 7. Đặc tính Cơ- Lý -Hóa của điện môi