Giáo trình vật liệu điện

Giáo trình Vật Liệu điện Gi¸o tr×nh VËt liÖu ®iÖn Biªn so¹n: §ç Nh− Tr−ëng 3 LỜI NÓI ĐẦU Trong bất kỳ một ngành sản xuất nào thì nguyên vật liệu giữ một vai trò vô cùng quan trọng, nhất là đối với sự phát triển với tốc độ chóng mặt của khoa học kỹ thuật thì nó đòi hỏi phải có những vật liệu mới để đáp ứng được nhu cầu phục vụ cho sự phát triển. Đặc biệt đối với ngành kỹ thuật điện thì vật liệu lại giữ một vai trò quyết định đến sự phát triển của ngành. Vì nếu không có vật liệu cách điện, vật liệu dẫn từ... thì không thể chế tạo một loại thiết bị điện nào dù là đơn giản nhất. Với một vai trò quan trọng như vậy và xuất phát từ yêu cầu, kế hoạch đào tạo, chương trình môn học của Trường Cao Đẳng Ngoại ngữ - Công nghệ Việt Nhật. Chúng tôi đã biên soạn cuốn giáo trình Vật liệu điện gồm 6 chương với những nội dung cơ bản sau: - Những lý thuyết cơ bản của vật liệu điện. - Nguyên nhân các hiện tượng vật lý xảy ra trong vật liệu điện. - Phân loại vật liệu điện. - Những đặc tính chủ yếu của vật liệu điện. Giáo trình Vật liệu điện được biên soạn phục vụ cho công tác giảng dạy của giáo viên và là tài liệu học tập của học sinh. Do chuyên môn và thời gian có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót, vậy rất mong nhận được ý kiến đóng góp của đồng nghiệp và bạn đoc để cuốn sách đạt chất lượng cao hơn. TÁC GIẢ Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Gi¸o tr×nh VËt liÖu ®iÖn Biªn so¹n: §ç Nh− Tr−ëng 4 Ch−¬ng I: Sù ph©n cùc ®iÖn m«i I. cÊu t¹o vËt chÊt VËt chÊt ®−îc cÊu t¹o tõ c¸c h¹t c¬ b¶n: Proton, Notron vµ ®iÖn tö. Proton mang ®iÖn tÝch d−¬ng, ®iÖn tö mang ®iÖn tÝch ©m cßn Notron kh«ng mang ®iÖn tÝch. H¹t nh©n nguyªn tö cÊu t¹o bëi Proton vµ Notron, c¸c ®iÖn tö lÊp ®Çt líp vá nguyªn tö lµm c©n b»ng ®iÖn tÝch d−¬ng cña h¹t nh©n. Trong nguyªn tö, ®iÖn tö chØ cã thÓ chuyÓn ®éng trªn nh÷ng quü ®¹o x¸c ®Þnh, khi quay trªn quü ®¹o ®ã n¨ng l−îng ®−îc b¶o toµn. Mçi quü ®¹o øng víi mét møc n¨ng l−îng. Quü ®¹o gÇn h¹t nh©n øng víi møc n¨ng l−îng thÊp, quü ®¹o xa h¹t nh©n øng víi møc n¨ng l−¬ng cao h¬n. Khi ®iÖn tö chuyÓn tõ quü ®¹o nµy sang quü ®¹o kh¸c th× hÊp thô hay gi¶i phãng n¨ng l−îng. C¸c nguyªn tö liªn kÕt víi nhau t¹o thµnh ph©n tö. Nguyªn tö mÊt mét ®iÖn tö trë thµnh ion d−¬ng. nguyªn tö nhËn ®−îc thªm mét ®iÖn tö sÏ trë thµnh ion ©m. c¸c chÊt láng, r¾n, khÝ cã thÓ ®−îc cÊu t¹o tõ nguyªn tö hay ph©n tö hay ion. 1. C¸c d¹ng liªn kÕt vËt chÊt. a) Liªn kÕt ®ång ho¸ trÞ Lµ sù liªn kÕt cña mét sè nguyªn tö thµnh ph©n tö nhë c¸c ®iÖn tö gãp chung. VÝ dô: O2, H2, Cl2 sù liªn kÕt ®ång ho¸ trÞ lµm cho líp ®iÖn tö ë ngoµi cïng ®−îc lÊp ®Çy, nªn rÊt v÷ng ch¾c, nã khã cã thÓ mÊt hoÆc nh©n thªm ®iÖn tö. VËy c¸c chÊt cã cÊu t¹o theo kiÓu liªn kÕt nµy thuéc lo¹i vËt liÖu c¸ch ®iÖn tèt. Trong liªn kÕt ®ång ho¸ trÞ ®−îc chia ra lµm hai phÇn: - Liªn kÕt trung tÝnh: Lµ liªn kÕt ®ång ho¸ rÞ cã t©m cña c¸c ®iÖ tÝch d−¬ng trïng víi t©m ®iÖn tÝch ©m. VÝ dô: LÊy cÊu tróc cña ph©n tö Cl lµm vÝ dô: Ph©n tö nµy gåm hai nguyªn tö Cl. Ph©n tö Cl cã hai ®iÖn tö gãp chung nh− vËy nguyªn tö Cl sÏ cã thªm mét ®iÖn tö ë líp ngoµi, tæng cã 8 ®iÖn tö líp ngoµi nªn rÊt bÒn v÷ng. Cl Cl Cl Cl + = = Cl Cl Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Gi¸o tr×nh VËt liÖu ®iÖn Biªn so¹n: §ç Nh− Tr−ëng 5 - Liªn kÕt cùc tÝnh (l−ìng tÝnh): Lµ liªn kÕt khi cã t©m ®iÖn tÝch d−¬ng c¸ch t©m ®iÖn tÝch ©m mét kho¶ng lµ a nµo ®ã. VÝ dô: HCl (Axit Clohy®ric). b) Liªn kÕt ion Lµ liªn kÕt do lùc hót gi÷a c¸c ion d−¬ng vµ c¸c ion © víi nhau, lo¹i liªn kÐt nµy cã søc bÒn ch¶y cao vµ c¬ giíi cao. VÝ dô: NaCl = Na+ + Cl- c) Liªn kÕt Van - ®ec – van. Lo¹i liªn kÕt nµy th−êng gÆp ë lo¹i vËt liÖu cã m¹ng tinh thÓ kh«ng v÷ng ch¾c, cã nhiÖt ®é nãng ch¶y thÊp nh− Parafin. 2. ThuyÕt miÒn n¨ng l−îng TÊt c¶ c¸c vËt thÓ tuú theo tÝnh chÊt dÉn ®iÖn cña nã cã thÓ n»m trong nhãm vËt dÉn, b¸n dÉn hoÆc ®iÖn m«i. Sù kh¸c nhau gi÷a c¸c nhãm ®−îc biÓu thÞ b»ng ®å thÞ n¨ng l−îng theo lý thuyÕt cña c¸c miÒn n¨ng l−îng cña vËt r¾n. - MiÒn ®Çy: Cã nhiÒu ®iÖn tö, sù liªn kÕt gi÷a ®iÖn tö vµ h¹t nh©n lµ bÒn v÷ng, t−¬ng øng víi nguyªn tö tr¹ng th¸i kh«ng bÞ kÝch thÝch. - MiÒn dÉn: Cã nhiÒu ®iÖn tö tù do, c¸c ®iÖn tö liªn kÕt yÕu víi h¹t nh©n, nã dÔ bÞ chuyÓn ®éng d−íi t¸c dông cña ®iÖn tr−êng (t−¬ng øng víi nguyªn tö bÞ kÝch thÝch). - MiÒn cÊm: §iÖn tö tù do kh«ng cã ë miÒn nµy. a) VËt dÉn Cã miÒn ®Çy n»m s¸t víi miÒn dÉn do ®ã ®iÖn tö trong kim lo¹i ®−îc tù do, nã cã thÓ chuyÓn ®éng tõ miÒn ®Çy sang miÒn dÉn d−íi t¸c dông cña c−êng ®é ®iÖn tr−êng (E) yÕu ®Æt vµo vËt dÉn. b) B¸n dÉn 1. MiÒn ®Çy 2 1 2 3 1 2 3 1 2. MiÒn dÉn (rçng) 3. MiÒn cÊm H Cl Cl H + = Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Gi¸o tr×nh VËt liÖu ®iÖn Biªn so¹n: §ç Nh− Tr−ëng 6 Cã miÒn cÊm hÑp, vïng nµy cã thÓ kh¾c phôc ®−îc nhê t¸c dông cña n¨ng l−¬ng tõ bªn ngoµi vµo c¸c ®iÖn tö ë vïng ®Çy cã thÓ chuyÓn ®éng sang vïng dÉn ®−îc do vËy vËt dÉn cã thÓ dÉn ®iÖn. c) §iÖn m«i Cã miÒn cÊm lín, c¸c ®iÖn tö khã cã thÓ chuyÓn ®éng tõ miÒn ®Çy sang miÒn dÉn ®−îc. Do ®ã ®iÖn m«i muèn trë thµnh vËt dÉn ph¶i cã tõ tr−êng E m¹nh ë ngoµi t¸c dông vµo. II. sù ph©n cùc cña ®iÖn m«i §iÖn m«i lµ tÊt c¶ c¸c vËt liÖu c¸ch ®iÖn, nã tån t¹i ë c¸c tr¹ng th¸i: KhÝ, láng, r¾n. Mét hiÖn t−îng c¬ b¶n ph¸t sinh trong m«i chÊt khi ®Æt vµo nã trong ®iÖn tr−êng ®ã lµ hiÖn t−îng ph©n cùc. Sù ph©n cùc cña ®iÖn m«i lµ sù chuyÓn dÞch cã h−íng vµ cã giíi h¹n cña c¸c ®iÖn tÝch hoÆc sù ®Þnh h−íng tõng phÇn cña c¸c ph©n tö l−ìng cùc. C¸c ®¹i l−îng ph©n cùc lµ: p(γ ) : §iÖn trë suÊt, ®iÖn dÉn suÊt ε : H»ng sè ®iÖn m«i δ (hoÆc tgδ ) : Gãc tæn hao ®iÖn m«i Ect : C−êng ®é ®iÖn tr−êng chäc thñng 1. HiÖn t−îng ph©n cùc a) Ph©n tö trung tÝnh - - - - - - - - - - + + + + + + + Khi có điện trường tác dụng Bình thường Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Gi¸o tr×nh VËt liÖu ®iÖn Biªn so¹n: §ç Nh− Tr−ëng 7 b) Phân tử cực tính (lưỡng cực) D−íi t¸c dông cña ®iÖn tr−êng, c¸c ®iÖn tÝch liªn kÕt cña ®iÖn m«i bÞ xoay theo h−íng cña lùc t¸c dông vµo nã, c−êng ®é ®iÖn tr−êng cµng m¹nh, ®iÖn tÝch chuyÓn h−íng cµng m¹nh. §iÖn tÝch d−¬ng chuyÓn dÞch theo h−íng chuyÓn dÞch cña ®iÖn tr−êng t¸c dông, cßn ®iÖn tÝch ©m th× chuyÓn dÞch theo h−íng ng−îc lai. Khi kh«ng cßn ®iÖn tr−êng t¸c dông n÷a th× c¸c ®iÖn tÝch l¹i quay trë vÒ tr¹ng th¸i ban ®Çu. Trong ®iÖn m«i l−ìng cùc t¸c dông cña ®iÖn tr−êng g©y nªn sù ®Þnh h−íng t−¬ng øng c¸c phÇn tö l−ìng cùc kÕt qu¶ lµ trªn bÒ mÆt cña ®iÖn m«i h×nh thµnh nh÷ng líp ®iÖn tÝch tr¸i dÊu nhau, ë mÆt h−íng vÒ ®iÖn cùc d−¬ng xuÊt hiÖn líp ®iÖn tÝch ©m, cßn ë mÆt h−íng vÒ ®iÖn tÝch ©m th× xuÊt hiÖn líp ®iÖn tÝch d−¬ng lóc nµy sù ph©n cùc ®r xong. Khi ®iÖn m«i ®ã lµ mét tô ®iÖn ®−îc tÝch ®iÖn. 2. HÖ sè ®iÖn m«i (ε) ý nghÜa cña ®iÖn m«i: Lµ mét ®¹i l−îng ®¸nh gi¸ sù ph©n cùc m¹nh hay yÐu cña chÊt ®iÖn m«i. XÐt ®iÖn m«i bÊt kú cã g¾n c¸c ®iÖn cùc ®−îc c¾m vµo m¹ch ®iÖn ®Òu cã thÓ xem nh− lµ mét tô ®iÖn cã ®iÖn dung x¸c ®Þn nh− ta biÕt, ®iÖn tÝch cña tô ®iÖn sÏ lµ: Q = C.U (1.1) Trong ®ã: C lµ ®iÖn dung cña tô U lµ ®iÖn ¸p ®Æt vµo tô ®iÖn. §iÖn tÝch Q ë trÞ sè ®iÖn ¸p cho tr−íc gåm hai thµnh phÇn: Q = Q0 + Q’ (1.2) Q0 Lµ thµnh phÇn cã ë ®iÖn cùc nÕu nh− gi÷a c¸c cùc lµ ch©n kh«ng Q’ Lµ thµnh phÇn t¹o nªn bëi sù ph©n cùc ®iÖn m«i gi÷a c¸c ®iÖn cùc + + + + + + + + + + + + + + - + + - + - + - + - + - Khi có điện trường tác dụng Bình thường Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Gi¸o tr×nh VËt liÖu ®iÖn Biªn so¹n: §ç Nh− Tr−ëng 8 Mét trong nh÷ng ®Æc tÝnh quan träng nhÊt c¶u ®iÖn m«i cs ý nghÜa ®Æc biÖt ®èi víi kü thuËt lµ h»ng sè ®iÖn m«i t−¬ng ®èi. §¹i l−îng nµy lµ tû sè gi÷a ®iÖn tÝch Q cña tô ®iÖn chÕ t¹o tõ lo¹i ®iÖn m«i Êy khi ®iÖn ¸p ®Æt vµo cã mét gi¸ trÞ nµo ®ã víi Q0 lµ ®iÖn tÝch cña tô cïng kÝch th−¬c ®Æt d−íi ®iÖn ¸p cïng trÞ sè nh−ng gi÷a c¸c ®iÖn cùc lµ ch©n kh«ng. 1Q Q' Q QQ' Q Q Q Q ε 00 0 00 += + === (1.3) Tõ biÓu thøc (1.3) ta sÏ suy ra ®−îc h»ng sè ®iÖn m«i t−¬ng ®èi cña bÊt kú chÊt nµo còng lín h¬n 1 vµ chØ b»ng 1 khi ®iÖn m«i lµ ch©n kh«ng. CÇn chó ý r»ng gi¸ tÞ h»ng sè ®iÖn m«i cña ch©n kh«ng phô thuéc vµo hÖ sè ®¬n vÞ. Trong hÖ CGDE nã b»ng 1 cßn trong hÖ SI nã b»ng: ) m F( 36pi6pi. 1 ε 9= Gi¸ trÞ h»ng sè ®iÖn m«i t−¬ng ®èi cña mét chÊt bÊt kú kh«ng phô thuéc vµo viÖc lùa chän hÖ ®¬n vÞ. Trong nh÷ng phÇn tiÕp theo chÝnh ®¹i l−îng h»ng sè ®iÖn méi nµy dïng ®Ó ®Æc tr−ng cho chÊt l−îng cña ®iÖn m«i, nh−ng ®Ó ng¾n gän ta bá bít ch÷ “t−¬ng ®èi”. Nh− vËy quan hÖ 1.1 cã thÓ biÓu diÔn d−íi d¹ng ph−¬ng tr×nh: Q = Q0ε = C.U = C0.U.ε (1.4) Trong ®ã: C0: §iÖn dung cña tô ®iÖn ®ã khi gi÷a c¸c ®iÖn cùc lµ ch©n kh«ng. Tõ (1.4) râ rµng h»ng sè ®iÖn m«i cña ε cña mét chÊt nµo ®ã cã thÓ ®−îc x¸c ®Þnh b»ng tû sè gi÷a ®iÖn dung cña tô ®iÖn cã ®iÖn m«i lµ chÊt ®ã víi ®iÖn dung cña tô ®iÖn cïng kÝch th−íc nh−ng méi lµ ch©n kh«ng. 0C C ε = VËy ta ®Þnh nghÜa: H»ng sè ®iÖn m«i cña mét chÊt ®iÖn m«i nµo ®ã ®−îc x¸c ®Þnh b»ng tû sè gi÷a ®iÖn dung cña tô ®iÖn cã ®iÖn m«i lµm b»ng chÊt ®ã vµ ®iÖn dung cña tô ®iÖn cã cïng kÝch th−íc nh−ng ®iÖn m«i lµ ch©n kh«ng. III. C¸c d¹ng ph©n cùc cña ®iÖn m«i Dùa trªn nguyªn t¾c vÒ thµnh phÇn, ®Æc ®iÓm hoÆc thêi gian cña sù ph©n cùc ng−êi ta chia ph©n cùc ra c¸c d¹ng sau: 1. Theo c¸c lo¹i phÇn tö tÝch ®iÖn tham gia vµo qu¸ tr×nh ph©n cùc. a) Ph©n cùc ®iÖn tö Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Gi¸o tr×nh VËt liÖu ®iÖn Biªn so¹n: §ç Nh− Tr−ëng 9 Lµ d¹ng ph©n cùc do sù xª dÞch cã giíi h¹n cña c¸c quü ®¹o chuyÓn ®éng cña c¸ ®iÖn tö d−íi d¹ng cña ®iÖn tr−êng bªn ngoµi. Ph©n cùc ®iÖn tö x¶y ra ë tÊt c¶ c¸c nguyªn tö, ph©n tö, ion. §Æc ®iÓm cña d¹ng ph©n cùc nµy nã cã thêi gian æn ®Þnh ph©n cùc v« cïng ng¾n 10-14 ÷ 10-13s. b) Ph©n cùc ion Lµ d¹ng ph©n cùc g©y nªn bëi sù xª dÞch cña c¸c ion liªn kÕt cña c¸c chÊt ®iÖn m«i d−íi t¸c dông cña ®iÖn tr−êng ngoµi thêi gian æn ®Þnh ph©n cùc 10-13 ÷ 10-12s. c)Ph©n cùc l−ìng cùc Lµ d¹ng ph©n cùc g©y nªn bëi sù ®Þnh h−íng c¸c ph©n tö cã cù tÝnh d−íi t¸c dông cña ®iÖn tr−êng ngoµi. d) Ph©n cùc kÕt cÊu Lµ lo¹i ph©n cùc x¶y ra trong c¸c lo¹i ®iÖn m«i r¾n cã kÕt cÊu kh«ng ®ång nh©t. Trong gianh giíi gi÷a hai m«i tr−êng kh¸c nhau cña chÊt ®iÖn m«i sÏ tÝch luü mét l−îng ®iÖn tÝch g©y ra sù ph©n cùc, qu¸ tr×nh nµy kÐo dµi hµng phót ®Õn hµng giê. e) Ph©n cùc tù ph¸t Lµ d¹ng ph©n cùc cña c¸c ®iÖn m«i Xec – nhet. Nã cã ®Æc ®iÓm lµ tù ph©n cùc khi E ngoµi b»ng 0. D−íi t¸c dông cña ®iÖn tr−êng ngoµi dÉn tíi ph©n cùc rÊt m¹nh, ε cao cã tiªu tÇn n¨ng l−îng. 2. Theo c¸c d¹ng t¸c dông cã c¸c d¹ng sau: a) Ph©n cùc ®µn håi Lµ d¹ng ph©n cùc x¶y ra do biÕn d¹ng ®µn h«i cña c¸c ph©n tö. Ph©n cùc ®iÖn tö vµ ph©n cùc ion lµ c¸c ph©n cùc ®µn håi. b) Ph©n cùc nhiÖt Lµ d¹ng ph©n cùc mµ ®iÖn m«i cã m«men c¶m øng d−íi t¸c dông cña bªn ngoµi do sù ph©n bè kh«ng ®èi xøng cña c¸c ®iÖn tÝch khi chóng ë tr¹ng th¸i chuyÓn ®éng nhiÖt. 3. Theo vËn tèc ph©n cùc Chia ra c¸c d¹ng sau: a) Ph©n cùc nhanh: Gåm c¸c ph©n cùc ®iÖn tö, ion (kh«ng to¶ nhiÖt) b) Ph©n cùc chËm: Nh− ph©n cùc kÕt cÊu, thêi gian x¶y ra ph©n cùc kÐo dµi (cã sù tæn thÊt n¨ng l−îng). Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Gi¸o tr×nh VËt liÖu ®iÖn Biªn so¹n: §ç Nh− Tr−ëng 10 4. S¬ ®å ®¼ng trÞ cña ®iÖn m«i Sù ph©n cùc cña ®iÖn m«i cã thÓ x¶y ra nhiÒu lo¹i ph©n cùc trong ®iÖn m«i ®ã hoÆc cã lo¹iu ®iÖn m«i chØ ph©n cùc ë lo¹i nµy hoÆc lo¹i kh¸c. ®Ó biÓu thÞ c¸c lo¹i ph©n cùc cña ®iÖn m«i ta dïng s¬ ®å ®¼ng trÞ. Trong ®ã: - Nh¸nh Q0 vµ C0 ®Æc tr−ng cho sù ph©n cùc ch©n kh«ng. - Nh¸nh Qc vµ Cc ®Æc tr−ng cho sù ph©n cùc ®iÖn tö. - Nh¸nh Qi vµ Ci ®Æc tr−ng cho sù ph©n cùc ion d−íi t¸c dông cña ®iÖn tr−êng (E) c¸c ion cña ®iÖn m«i sÏ chuyÓn dÞch. - Nh¸nh Qlcc vµ Clcc ®Æc tr−ng cho sù ph©n cùc l−ìng cùc chËm d−íi t¸c dông cña E c¸c ph©n tö l−ìng cùc sÏ xoay theo h−íng cña ®iÖn tr−êng. Do ®ã sù ph©n cùc nµy cã tiªu hao n¨ng l−îng nªn trong s¬ ®å ®iÖn dung C ®−îc nèi tiÕp víi ®iÖn trë, ®iÖn trë R nµy ®Æc tr−ng cho sù tiªu hao n¨ng l−îng cho sù ph©n cùc g©y ra. - Nh¸nh Qic, Cic vµ Ric ®Æc tr−ng cho sù ph©n cùc ion chËm, lo¹i nµy cã c¸c ion liªn kÕt yÕu trong m¹ng tinh thÓ sÏ chuyÓn dÞch khi cã ®iÖn tr−êng t¸c dông. - Nh¸nh Qic, Cic vµ Ric ®Æc tr−ng cho sù ph©n cùc chËm. - Nh¸nh Qkc, Ckc vµ Rkc ®Æc tr−ng cho sù ph©n cùc kÕt cÊu, lo¹i ph©n cùc nµy chØ x¶y ra ®èi víi c¸c lo¹i ®iÖn m«i r¾n cã kÕt cÊu kh«ng ®ång nhÊt. - Nh¸nh Qtp, Ctp vµ Rtp ®Æc tr−ng cho sù ph©n cùc tù ph¸t, lo¹i nµy x¶y ra ®èi víi c¸c lo¹i ®iÖn m«i r¾n cã kÕt cÊu ion gäi lµ ®iÖn m«i Xe – NhÝt. Sù ph©n cùc tù ph¸t kÌm theo khuÕch t¸n n¨ng l−îng ®¸ng kÓ tøc lµ táa nhiÖt. - Nh¸nh cã Rcd lµ ®iÖn trë c¸ch ®iÖn ®Æc tr−ng bëi dßng ®iÖn rß qua ®iÖn m«i. Rcd U Qi Ci Qc Cc Q0 C0 Rkc Qkc Ckc Rtp Qtp Ctp Rcc Qcc Ccc Ric Qic Cic Rlcc Qlcc Clcc Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Gi¸o tr×nh VËt liÖu ®iÖn Biªn so¹n: §ç Nh− Tr−ëng 11 IV. hÖ sè ®iÖn m«i cña c¸c lo¹i m«i chÊt 1. H»ng sè ®iÖn m«i cña ®iÖn m«i khÝ C¸c chÊt khÝ cã ®Æc ®iÓm lµ mËt ®é rÊt bÐ, kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c ph©n tö lín. Nhê ®ã sù ph©n cùc chÊt khÝ kh«ng ®¸ng kÓ vµ h»ng sè ®iÖn m«i cña chÊt khÝ gÇn b»ng 1. Sù ph©n cùc cña chÊt khÝ cã thÓ lµ thuÇn tuý ®iÖn tö hoÆc l−ìng cùc nÕu ph©n tö khÝ ®ã cã cùc tÝnh. Nh−ng ngay ®èi víi khÝ cã cùc tÝnh, sù ph©n cùc ®iÖn tö vÉn cã ý nghÜa chñ yÕu. 2. H»ng sè ®iÖn m«i cña chÊt láng So víi m«i chÊt khÝ m«i chÊt láng cã kÕt cÊu phøc t¹p h¬n nhiÒu nªn qu¸ tr×nh ph©n cùc trong chÊt láng còng phøc t¹p h¬n, do ®ã ta cã thÓ ph©n lµm hai lo¹i moi chÊt láng sau: a) M«i chÊt láng trung tÝnh (DÇu M¸y biÕn ¸p, Benzen...) Trong m«i chÊt nµy chñ yÕu xuÊt hÖn lo¹i ph©n cùc tøc thêi, trÞ sè ε≤ 2,5 VÝ dô: DÇu M¸y biÕn ¸p ε = 2,2 DÇu Benzen ε = 2,48 §èi víi chÊt láng trung tÝnh th× ε phô thuéc vµo nhiÖt ®é (h×nh vÏ 4.1) cßn tÇn sè l¹i kh«ng ¶nh h−ëng ®Õn ε. b) M«i chÊt láng cã cùc tÝnh M«i chÊt láng nµy cã kÕt cÊu lµ nh÷ng ph©n tö kh«ng trung hoµ vÒ ®iÖn hoÆc kÕt cÊu l−ìng cùc. VÝ dô: N−íc cÊt, dÇu thÇu dÇu, s¬n S«n v«... Tªn gäi chÊt láng ε ë t0 = 200C vµ f = 50Hz ThÇu dÇu 4,5 X« v«n 5,0 * XÐt quan hÖ cña ε víi nhiÖt ®é: ε = f(t) t0 s«i ε t0 f 0 0 ε H×nh vÏ 4.1 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Gi¸o tr×nh VËt liÖu ®iÖn Biªn so¹n: §ç Nh− Tr−ëng 12 - Khi nhiÖt dé t¨ng ®Õn t1 th× ε t¨ng nh−ng t¨ng chËm, tiÕp tôc t¨ng ®Õn nhiÖt ®é t2 th× ε t¨ng nhanh - NÕu t¨ng nhiÖt ®é t0 > t02 th× ε gi¶m, nh− vËy ®−êng biÕn thiªn cã mét ®iÓm cùc ®¹i øng víi ®iÖn m«i láng ë tr¹ng th¸i vËt lý cùc tÝnh. Tr¹ng th¸i vËt lý ®ã lµ do sù céng h−ëng cña hai dao ®éng do nhiÖt vµ do ®iÖn tr−êng t¸c ®éng (do c¶n trë cña nhiÖt ®é lµm cho sù ph©n cùc khã kh¨n v× vËy khi t0 t¨ng sÏ lµm cho ε gi¶m). * XÐt quan hÖ cña ε víi tÇn sè: ε = f(ω) hoÆc ε = F(f) Ta thÊy ε gi¶m v× f thay ®æi tøc lµ khi f t¨ng th× sù xoay h−ín cña c¸ ph©n tö l−ìng cùc cµng khã kh¨n. NÕu f t¨ng ®Õn gi¸ trÞ giíi h¹n nµo ®ã th× sù ph©n cùc trë lªn kh«ng hoµn thµnh vµ ε gi¶m. 3. H»ng sè ®iÖn m«i cña chÊt r¾n a) M«i chÊt r¾n cã kÕt cÊu ph©n tö trung tÝnh (Parafin, l−u huúnh..) vµ c¸c m«i chÊt r¾n cã kÕt cÊu tinh thÓ chÆt chÏ (NaCl, Al2O3). Lo¹i m«i chÊt nµy cã kÕt cÊu trung tÝnh vµ kÕt cÊu ion chÆt chÏ nªn chØ cã ph©n cùc tøc thêi cña ®iÖn tö ion. Tªn gäi vËt liÖu HÖ sè khóc x¹ n2 ε Parafin 1,43 2,06 1,9 ÷ 2,2 Polistirol 1,55 3,4 2,4 ÷ 2,6 L−u huúnh 1,92 3,60 3,6 ÷ 4,0 Kim c−¬ng 2,40 5,76 5,6 ÷ 5,8 * XÐt khi nhiÖt ®é t¨ng - Víi m«i chÊt cã kÕt cÊu ph©n tö trung tÝnh (vÝ dô: Parafin) ta thÊy trÞ sè ε gi¶m do mËt ®é ph©n tö gi¶m ®Õn nhiÖt ®é nãng ch¶y cña m«i chÊt th× ε cµng gi¶m xuèng m¹nh, v× mËt ®é ph©n tö løc ®ã cã sù gi¶m nh¶y vät (vÝ dô Parafin cã nhiÖt ®é nãng ch¶y ë t0 = 500C). εmax 0 t0 t01 t 0 2 ε 0 f ε εlc ε Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Gi¸o tr×nh VËt liÖu ®iÖn Biªn so¹n: §ç Nh− Tr−ëng 13 - M«i chÊt cã kÕt cÊu ion chÆt chÏ. Khi nhiÖt ®é t¨ng th× kh¶ n¨ng cùc ho¸ t¨ng h¬n sù gi¶m cña mËt ®é ph©n tö do vËy mµ ε t¨ng. b) M«i chÊt r¾n cã kÕt cÊu tinh thÓ yÕu (tøc kÕt cÊu ion kh«ng chÆt chÏ) M«i chÊt cã kÕt cÊu cùc tÝnh (nh− vËt liÖu Xenlul«, cao su, cao ph©n tö....) ngoµi ph©n cùc tøc thêi cßn cã thÓ cã sù ph©n cùc chËm. Do ®ã quan hÖ phô thuéc cña ε víi niÖt ®é vµ tÇn sè còng gièng nh− m«i chÊt láng cùc tÝnh. c) M«i chÊt r¾n cã kÕt cÊu phøc t¹p §©y lµ m«i chÊt th−êng gÆp trong thùc tÕ. KÕt cÊu cña nã gåm nhiÒu thµnh phÇn cã trÞ sè ε kh¸c nhau. TrÞ sè ε cña lo¹i m«i chÊt nµy ®−îc x¸c ®Þnh gÇn ®óng nh− sau: εx = θ1εx1 + θ2εx2 Trong ®ã: ε, ε1 vµ ε2 t−¬ng øng víi h»ng sè ®iÖn m«i cña hçn hîp vµ cña c¸c thµnh phÇn riªng θ1, θ2: Nång ®é theo thÓ tÝch cña c¸c thµnh phÇn tho¶ mrn biÓu thøc θ1+ θ2 = 1 x: H»ng sè ®Æc tr−ng cho sù ph©n bè cña c¸c thµnh phÇn vµ gi¸ trÞ tõ +1→-1. - Khi m¾c nèi tiÕp c¸c thµnh phÇn x = -1 ta cã: 2 2 1 1 ε θ ε θ ε 1 += - Khi m¾c song song c¸c thµnh phÇn x = -1 biÓu thøc cã d¹ng: ε = θ1ε1 + θ2ε2 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Gi¸o tr×nh VËt liÖu ®iÖn Biªn so¹n: §ç Nh− Tr−ëng 14 Ch−¬ng II: TÝnh dÉn ®iÖn cña ®iÖn m«i I. §Æc ®iÓm cña ®iÖn m«i trong ®iÖn tr−êng Khi c¸c ®iÖn m«i n»m trong ®iÖn tr−êng khi chÞu t¸c dông cña mét c−êng ®é ®iÖn tr−êng E, trong tr−êng hîp ®ång nhÊt th× E ®−îc x¸c ®Þnh: h UE = Trong ®ã: E: §iÖn ¸p ®Æt lªn hai ®iÓm cùc h: Kho¶ng c¸ch gi÷a hai ®iÓm cùc §iÖn m«i ®Æt d−íi ®iÖn tr−êng th× x¶y ra hiÖn t−îng c¬ b¶n ®ã lµ sù dÉn ®iÖn cña ®iÖn m«i vµ sù ph©n cùc cña ®iÖn m«i. §iÖn dÉn cña ®iÖn m«i ®−îc x¸c ®Þnh bëi sù chuyÓn ®éng cã h−íng cña c¸c ®iÖn tÝch tù do tån t¹i trong ®iÖn m«i (c¸c ®iÖn tÝch tù do cã thÓ lµ ®iÖn tö ,ion hoÆc c¸c nhãm phÇn tö mang ®iÖn). D−íi t¸c dông cña ®iÖn tr−êng: F = E.q (N) Trong ®ã: q: §iÖn tÝch cña c¸c phÇn tö mang ®iÖn tù do. C¸c ®iÖn tÝch (+) chuyÓn ®éng theo chiÒu cña E vµ ng−îc l¹i dÉn ®Õn trong ®iÖn m«i xuÊt hiÖn mét dßng ®iÖn. TrÞ sè cña dßng ®iÖn phô thuéc vµo mËt ®é c¸c ®iÖn tÝch tù do trong ®iÖn m«i. Trong ®iÖn m«i tån t¹i rÊt Ýt c¸c ®iÖn tö tù do cßn l¹i lµ c¸c ®iÖn tÝch cã liªn kÕt chÆt chÏ nªn d−íi t¸c dông cña lùc ®iÖn tr−êng chóng kh«ng thÓ chuyÓn doäng xuyªn suèt ®iÖn m«i ®Ó t¹o thµnh dßng ®iÖn mµ chØ cã thÓ xª dÞch rÊt Ýt hoÆc xoay h−íng theo chiÒu cña ®iÖn tr−êng. Qu¸ tr×nh dÉn ®iÖn vµ ph©n cùc mét phÇn n¨ng l−îng bÞ tiªu hao vµ to¶ ra d−¬Ý d¹ng nhiÖt n¨ng dÉn ®Õn ®iÖn m«i nãng lªn ®ã lµ sù tæn hao ®iÖn m«i l©u dµi dÉn ®Õn ®iÖn m«i bÞ lro ho¸. II. Kh¸i niÖm chung vÒ ®iÖn dÉn cña ®iÖn m«i VÒ gi¸ trÞ dßng ®iÖn ch¹y qua ®iÖn m«i b»ng tæng ®iÖn tÝch chuyÓn ®éng qua mét tiÕt diÖn vu«ng gãc trong mét ®¬n vÞ diÖn tÝch thêi gian. XÐt mét m« h×nh ®iÖn m«i cã d¹ng h×nh trô cã tiÕt diÖn vu«ng gãc lµ S chiÒu dµi bõng vËn tèc chuyÓn ®éng trung b×nh cña c¸c phÇn tö trong mét thêi gian x¸c ®Þnh V chiÒu cña ®iÖn tr−êng trïng víi trôc h×nh trô. l = V S E Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Gi¸o tr×nh VËt liÖu ®iÖn Biªn so¹n: §ç Nh− Tr−ëng 15 Gi¶ thiÕt diÖn tÝch chøa trong ®iÖn m«i lµ n vµ mçi phÇn tö cã ®iÖn tÝch lµ q. D−íi t¸c dông cña E sau mét ®¬n vÞ thêi gian th× c¸c ®iÖn tÝch tù do chuyÓn ®éng qua hÕt tiÕt diÖn S. Tæng ®iÖn tÝch qua S b»ng tæng ®iÖn tÝch chøa trong thÓ tÝch h×nh trô. Nh− vËy dßng qua ®iÖn m«i lµ: Vq.n.s.q.n.vQI === (A) (1.2) HoÆc I = J.S (J = q.n.V ) Trong ®ã: J lµ mËt ®é dßng ®iÖn A/m2. Tøc lµ tæng ®iÖn tÝch chuyÓn ®éng qua mét ®¬n vÞ ®iÖn tÝch c¸c tiÕt diÖn vu«ng gãc trong mét ®¬n vÞ thêi gian. q: Lµ ®iÖn l−îng cña ®iÖn tÝch n: lµ mËt ®é cña ®iÖn tÝch V : VËn tèc trung b×nh cña c¸c ®iÖn tÝch 1. §iÖn dÉn