1 CHƯƠNG 3 - ĐIỆN MÔI 1. Sự phân cựctrongchất điệnmôi 2. Vector phân cực điệnmôi 3. Điệntrường trong chất điệnmôi 4. Vậtliệu điệnmôiđặcbiệt 2 1. Sự phân cựctrongchất điệnmôi ) Điệntrường của thanh tích điện(+) hút các điệntử và đẩyhạt nhân ⇒ mất phân bốđiệntíchđốixứng. ) Chất điệnmôi: Điệntử liên kếtchặt vớihạt nhân nguyên tử ⇒ phân bốđiện tích đốixứng ⇒ khó tự do di chuyển suốtqua toànbộ thể tích. ) Do điệntrường thanh giảmtheo khoảng cách vớivật ⇒ lựchútsẽ lớn hơnlực đẩy ⇒ vậtbị hút về thanh tích điện. Hiệntượng phân cực điệnmôi ) Phân bốđiện tích bề mặt: điện tích (-) ở phía sát thanh tích điệnvàđiệntích(+) ở phía đốidiện ⇒ Hiệntượng phân cực 3 1. Sự phân cựctrongchất điệnmôi Hiệntượng phân cực điệnmôi ) Điện tích liên kếtcóthể vẫntồn tại ngay cả sau khi 0 0 =E r ) Xuấthiệnphânbốđiện tích liên kết ở mộtsố vùng trên bề mặt ⇒ mật độ điện tích liên kếtmặt σ’. ' 0 EEE r r r += 0 E r 0 ' ≠E r 0≠E r Điệnmôi ) Hình thành điệntrường phụ ' E r ngượcchiều 0 E r ) Vậtdẫntrở lạitrạng thái trung hòa điệnkhi 0 0 =E r ) Xuấthiệnphânbố các điện tích tự do trên toàn bộ bề mặt ⇒ mật độ điệnmặt σ. 0 E r 0=E r Vậtdẫn ⇒ hiệu ứng Màn chắntĩnh điện không thể xuyên qua vậtdẫn E r ) 4 Mô hình phân cực nguyên tử 1. Sự phân cựctrongchất điệnmôi Hiệntượng phân cực điệnmôi ) Nguyên tử bị phân cực điện ⇔ lưỡng cực điện, vớilàvector hướng từ trọng tâm “đám mây điệntử “ đếnhạt nhân nguyên tử. d r + ⎯ dqp e r r = + ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯⎯ ⎯⎯ ) Nguyên tử có điệntử liên kếtchặtvớihạt nhân ⇒ phân bốđiệntíchđối xứng ⇒ trung hòa vềđiện. ) Điệntrường ngoài : Điệntử di chuyểnngượcchiềutrường ngoài ⇒ hình thành một“đám mây” điệntử lệch về mộtphíamàtâmcủa nó không trùng vớihạt nhân nguyên tử ⇒ nguyên tử bị phân cực điện. 0 E r + ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 0 E r ⎯ + -q +q d p e 0 E r 5 1. Sự phân cựctrongchất điệnmôi Hiệntượng phân cực điệnmôi ) Ví dụ: H 2 O, NH 3 , HCL, CH 3 Cl ) Điệntrường ngoài không ảnh hưởng đến độ lớncủa ⇒ phân tử là lưỡng cựccứng. e p r 0= e p r 0 0 =E r khi 0 ≠ e p r 0 0 ≠E r khi và ) ⎯ + -q +q d p e 0 E r 0 ≠ e p r ) Phân tử có phân bốđiện tích không đối xứng ⇒ trọng tâm điện tích (+) và (-) cách nhau một khoảng khi . , nghĩalà: d r 0 0 =E r ⎯ + -q +q d p e Phân tử tự phân cực (phân cựctự phát) Phân tử không tự phân cực (phân cựccảm ứng) ) Phân tử là lưỡng cực đàn hồi Ep e r r αε= ) Có: với α: độ phân cựcphântử, ∈ thể tích phân tử 6 Các dạng phân cực điệnmôi Điệnmôicấutạobởi các phân tử tự phân cực: Phân cực định hướng 1. Sự phân cựctrongchất điệnmôi ) Hình thành lớp điệntíchtạibề mặt điệnmôi⇒ không phảilàđiện tích tự do mà là điệntíchliênkết. ) Khicótrường ngoài ⇒ các quay dầntheophương trường ngoài cho đếnkhitoànbộ các có phương trùng phương trường ngoài ei p r 0≠⇒ ∑ i ei p r ei p r 0 0 ≠E r 0 0 ≠E r 0,0 ≠≠ ∑ i eiei pp r r 0 0 =E r 0,0 =≠ ∑ i eiei pp rr ) Khi không có trường ngoài ⇒ từng phân tử có nhưng mỗi có phương ngẫunhiên 0 ≠ ei p r 0=⇒ ∑ i ei p r ei p r 7 Điệnmôicấutạobởi các phân tử không tự phân cực: Phân cực điệntử ) Khi không có trường ngoài ⇒ từng phân tử có do trọng tâm điện tích (+) và (-) trùng nhau 0 = ei p r 0=⇒ ∑ i ei p r ) Khi có trường ngoài ⇒ các lớpvỏđiệntử củatừng phân tử bị biếndạng ⇒ trọng tâm điện tích (+) và (-) không trùng nhau, nên và đều cùng phương trường ngoài 0 ≠ ei p r 0≠⇒ ∑ i ei p r Các dạng phân cực điệnmôi 1. Sự phân cựctrongchất điệnmôi ) Khối tinh thểđược coi là như mộtphântử khổng lồ có các mạng i-ôn (+) và (-) đan xen nhau. Điệnmôicócấutrúctinhthể: Phân cựci-ôn 8 V d Điệnmôicócấutrúctinhthể: Phân cựci-ôn Cấu trúc tinh thể NaCl + Na + + Cl - d 0≠ ngoài E r 0 ≠ ei p r 1. Sự phân cựctrongchất điệnmôi Các dạng phân cực điệnmôi ) Đốivớicả 3 loại điệnmôi⇒ sự phân cựcbiếnmấtkhibỏđi điệntrường ngoài. 9 2. Vector phân cực điệnmôi Định nghĩa Đạilượng vậtlýđobằng tổng lưỡng cực điệncủacác phân tử có trong một đơnvị thể tích củakhối điệnmôi V p P n i ei e Δ = ∑ =1 r r Enpn V pn P ei ei e r r r r αε== Δ = 000 . Có: EP ee rr χε= 0 Hay: (χ e : Độ cảm điệnmôi) 0≠E r mọi phân tửđềucócùng ei p r khi P e E P bh Điệnmôitự phân cực Điện môi không phân tự cựcvàđiệnmôitinhthể đủ lớn ⇒ e P r đạttrạng thái bão hòa E r kT pn e e 0 2 0 3 . ε χ = thấp ⇒ E kT pn P e e rr 3 . 2 0 = với E r 10 10 Điện tích trên ΔS = ±σ ’. Δ S 2. Vector phân cực điệnmôi Vector phân cực điện môi và mật độ điệnmặtliênkết ⇒ σ ’= P e .cos α = P en +σ’ -σ’ Δ S d + - - - - - - + + + + + + E r e P r n r α ª Mật độ điệnmặtcácđiện tích liên kếtcủakhối điện môi có giá trị bằng hình chiếucủa vector phân cực trên pháp tuyếncủamặtgiớihạn đó. Trong đó: dSp n i ei .'. 1 Δ= ∑ = σ ΔV = Δ S.d.cos α và α σ = α Δ Δ σ = cos ' cos .'. dS dS P e Vì thế: Đơnvị của P e : C/m 2 V p PP n i ei ee Δ == ∑ =1 r có: [...]... tạo thành chu trình kín 23 4 Vật liệu điện môi đặc biệt Điện môi Séc-nhét (Seignette) Vật liệu sắt điện (ferroelectric materials) Vật liệu có sự phân cực phụ thuộc trường ngoài và có tính chất trễ ⇒ vật liệu sắt điện Có hằng số điện môi lớn (từ vài chục → hàng ngàn đơn vị) Tính chất sắt điện phụ thuộc nhiệt độ Tại nhiệt độ xác định tính chất sắt điện biến mất ⇒ trở thành vật liệu điện môi thông thường... tục trong các môi trường điện môi 17 4 Vật liệu điện môi đặc biệt Điện môi Séc-nhét (Seignette) Tinh thể muối Séc-nhét Công thức: KNaC4H4O6·4H2O Tên gọi: Kali Natri táctrát ngậm nước – (Potassium sodium tartrate Tetrahydrate) Lịch sử: được tổng hợp lần đầu tiên (khoảng 1675) bởi dược sỹ Pierre Seignette (La Rochelle, Pháp) ⇒ còn gọi là muối Rochelle Tính chất vật lý: Trong suốt hoặc vàng nhạt; Dễ dàng... tuyến tính với vector E Khi E tăng đến giá trị nào đó ⇒ P đạt trạng thái bão hòa (Ps) Hằng số điện môi (ε) của các Séc-nhét phụ thuộc vào Engoài 0 E 19 4 Vật liệu điện môi đặc biệt Điện môi Séc-nhét (Seignette) Hiện tượng điện trễ P Khi Engoài giảm → 0 ⇒ vật liệu vẫn còn bị phân cực ⇒ có P = Pr: hiện tượng phân cực dư hay điện trễ (hysteresis) Khi Engoài thay đổi, các trị số của P thay đổi chậm hơn so... thành vật liệu điện môi thông thường ⇒ nhiệt độ Curie (điểm Curie) - Tc Muối NaKC4H4O6.4H2O chỉ có tính chất sắt điện với 15 0C < T < 22 0C ⇒ có 2 điểm Curie, Tc = -15 0C và 22 0C Vật liệu sắt điện tổng hợp BaTiO3 PZT AlN 24 4 Vật liệu điện môi đặc biệt Hiệu ứng áp điện (piezoelectric effect) Trên các mặt của tinh thể thạch anh (SiO2) xuất hiện các điện tích trái dấu tương tự như các điện tích xuất hiện... từng miền khác nhau từ miền này qua miền khác ⇒ véctơ phân cực tổng cộng của tinh thể = 0 Khi Engoài ≠ 0, các mômen của các domain quay như các lưỡng cực đơn và sắp xếp theo hướng của điện trường 21 4 Vật liệu điện môi đặc biệt Điện môi Séc-nhét (Seignette) Cơ chế hiện tượng trễ Tăng dần Engoài cho tới khi tất cả các vector phân cực tổng cộng của từng miền song song với nhau ⇒ trạng thái bão hòa (Ps)... số domain không xoay kịp trở lại ⇒ tạo ra hiện tượng phân cực dư ⇒ có giá trị Pr Đảo chiều và tăng E = - Ec véctơ phân cực của từng miền trở lại vị trí như ban đầu ⇒ véctơ phân cực tổng cộng = 0 22 4 Vật liệu điện môi đặc biệt Điện môi Séc-nhét (Seignette) Cơ chế hiện tượng trễ Tiếp tục tăng dần Engoài cho tới khi tất cả các vector phân cực tổng cộng của từng miền song song với nhau ⇒ đạt trạng thái... Seignette (La Rochelle, Pháp) ⇒ còn gọi là muối Rochelle Tính chất vật lý: Trong suốt hoặc vàng nhạt; Dễ dàng tan trong nước; Cấu trúc orthorhombic; Trọng lượng riêng = 1.79; Nhiệt độ nóng chảy = 75 °C 18 4 Vật liệu điện môi đặc biệt Điện môi Séc-nhét (Seignette) Nhóm điện môi Séc-nhét (tự nhiên) Tourmaline: Ca,K,Na (Al,Fe,Li,Mg,Mn)3; Quartz: SiO2; Topaz: Al2SiO4(F,OH)2; Tinh thể đường Tính chất phân cực... thuộc vào các trị số của E có trước đó ⇔ phụ thuộc vào lịch sử của chất điện môi Pr Ec 0 E P = 0 khi E = - Ec (lực kháng điện - coercive force) Tiếp tục thay đổi E ⇒ thu được một chu trình điện trễ 20 4 Vật liệu điện môi đặc biệt Điện môi Séc-nhét (Seignette) Cơ chế hiện tượng trễ (Thuyết miền phân cực tự nhiên) Cấu trúc tinh thể có những miền trong đó có sự định hướng giống nhau của các mômen lưỡng cực... đặt vào, thay đổi dấu theo ứng suất và biến mất khi ngoại lực ngừng tác dụng Hiệu ứng áp điện thuận Lực nén ~ 1 N ⇒ trên các mặt đối diện của tinh thể thạch anh xuất hiện một hiệu điện thế ~1 mV 25 4 Vật liệu điện môi đặc biệt Hiệu ứng áp điện (piezoelectric effect) Khi đặt điện áp lên 2 mặt của tinh thể áp điện ⇒ sẽ bị biến dạng (dãn hoặc nén) ⇒ hiệu ứng áp điện nghịch Tinh thể áp điện Khi đặt điện . điệnmôi⇒ sự phân cựcbiếnmấtkhibỏđi điệntrường ngoài. 9 2. Vector phân cực điệnmôi Định nghĩa Đạilượng vậtlýđobằng tổng lưỡng cực điệncủacác phân tử có trong một đơnvị thể tích củakhối điệnmôi V p P n i ei e Δ = ∑ =1 r r Enpn V pn P ei ei e r r r r αε== Δ = 000 . Có: EP ee rr χε= 0 Hay: (χ e :. dàng tan trong nước; ª Cấu trúc orthorhombic; 4. Vậtliệu điệnmôiđặcbiệt Điện môi Séc-nhét (Seignette) Tinh thể muối Séc-nhét ) Tính chất vật lý: ) Tên gọi: Kali Natri táctrát ngậm nước – ( Potassium. di chuyển suốtqua toànbộ thể tích. ) Do điệntrường thanh giảmtheo khoảng cách vớivật ⇒ lựchútsẽ lớn hơnlực đẩy ⇒ vậtbị hút về thanh tích điện. Hiệntượng phân cực điệnmôi ) Phân bốđiện tích bề mặt: