Bài giảng Tĩnh điện học - Chương 4: Điện môi - Đại học Quốc gia TP.HCM

Nội dung text: Bài giảng Tĩnh điện học - Chương 4: Điện môi - Đại học Quốc gia TP.HCM

1. Đại học Quốc Gia TpHCM Trường Đại học Bách khoa 1
2. Đại học Quốc Gia TpHCM Trường Đại học Bách khoa Điện Môi v Sự phân cực: v Vectơ phân cực điện môi v Liên hệ giữa vectơ phân cực và mật độ điện mặt của điện tích liên kết v Điện trường trong điện môi v Các điện môi đặc biệt. Và hiệu ứng áp điện 2
3. Đại học Quốc Gia TpHCM Trường Đại học Bách khoa Sự phân cực §§ SSựự pphhâânn ccựựcc đđiiệệnn mmôôii llàà hihiệệnn ttượượngng ttrrêênn tthhaanhnh đđiiệệnn mmôôii đđặặtt ttrroonngg đđiiệệnn trtrườườngng ccóó xuxuấấtt hihiệệnn đđiiệệnn ttííchch §§ PPhhâânn ttửử phphâânn ccựựcc:: trtrọọngng ttââmm đđiiệệnn ttíícchh ââmm vvàà ddươươngng kkhhôônngg trtrùùngng nnhhaau.u. §§ PPhhâânn ttửử khkhôôngng pphhâânn ccựựcc:: trtrọọngng ttââmm đđiiệệnn ttíícchh ââmm vvàà ddươươnngg ttrùrùngng nnhhaauu ((ssựự pphhâânn bbốố eelleeccttrronon kkhhôôngng đđốốii xxúúngng qquuaannhh hhạạtt nnhhâân)n) 3
4. Đại học Quốc Gia TpHCM Trường Đại học Bách khoa Ví dụ về sự phân cực §§ MMộộtt vvậậtt nnhihiễễmm đđiiệệnn ((ởở bbêênn trtrááii)) llààmm cchoho nhnhữữngng phphầầnn ttửử ttrrêênn bbềề mmặặtt bbịị pphhâânn ccựựcc §§ MMộộtt cchihiếếcc llượượcc đđượượcc ttíícchh đđiiệệnn ccóó ththểể hhúútt ccáácc mmẩẩuu gigiấấyy llàà dodo ssựự pphhâânn ccựựcc ccủủaa ccáácc mmẫẫuu gigiấấyy Vật cách điện Vật mang Hạt tích điện điện do cảm ứng 4
5. Đại học Quốc Gia TpHCM Trường Đại học Bách khoa Giải thích sự phân cực §§ TTrrườườnngg hhợợpp 11:: ĐĐiiệệnn mmôôii ccấấuu ttạạoo bbởởii pphhâânn ttửử phphâânn ccựực.c. –– KKhôhônngg ccóó EE,, cácácc llưỡưỡngng ccựựcc xxắắpp xxếếpp hhổổnn đđộộnn,, ttổổngng mmôômmeenntt llưỡưỡnngg ccựựcc bbằằngng kkhhôônng,g, đđiiệệnn mmôôii khkhôôngng ttíícchh đđiiệệnn –– CCóó EE,, cácácc llưỡưỡngng ccựựcc xxắắpp xxếếpp ccóó trtrậậtt ttựự ssaaoo cchhoo mmoommeenntt đđiiệệnn ququaayy tthheeoo cchihiềềuu đđiiệệnn trtrườườnngg ngngoàoàii,, kkhhii đđóó bbêênn ttrroonngg llòòngng đđiiệệnn mmôôii vvẫẫnn kkhhôônngg ccóó đđiiệệnn ttíícchh,, ttuuyy nnhhiiêênn ttrrêênn ccáácc mmặặtt ccóó xuxuấấtt hihiệệnn ccáácc đđiiệệnn ttíícchh trtrááii ddấấuu ggọọii llàà đđiiệệnn ttíícchh lliiêênn kkếếtt 5
6. Đại học Quốc Gia TpHCM Trường Đại học Bách khoa Giải thích sự phân cực §§ TTH2H2:: ĐĐiiệệnn mmôôii ccấấuu ttạạoo bbởởii ccáácc pphhâânn ttửử kkhhôôngng pphhâânn ccựựcc – Khi chưa có E, mỗi phân tử không phải là một lường cực nên điện môi trung hoà về điện. – Khi có E, các phân tử điện môi đều trở thành lưỡng cực điện do lớp vỏ electron của phân tử phân bố không đều. §§ TTH3H3:: ĐĐiiệệnn mmôôii ttiinhnh ththểể – Xem tinh thể như một phân tử khổng lồ(các mạng ion dương và âm lồng vào nhau. – Dưới tác dụng của E ngoài , các mạng ion dương di chuyển theo chiều điện trường còn mạng ion âm di chuyển theo chiều ngược lại gây ra hiện tương phân cực(Phân cực ion) 6
7. Đại học Quốc Gia TpHCM Trường Đại học Bách khoa Vectơ phân cực điện môi §§ VVectectơơ pphhâânn ccựựcc đđiiệệnn mmôôi:i: ttổổngng mmoommeenntt đđiiệệnn ccủủaa ccáácc phphầầnn ttửử ccóó ttrrongong mmộộtt đơđơnn vvịị ththềề títícchh ccủủaa khkhốốii đđiiêênn mmôôii đđồồngng chchấất.t. n å Pei n: số phân tử phân cực điện môi p = 1 e DV DV: thể tích khối điện môi đồng chất 7
8. Đại học Quốc Gia TpHCM Trường Đại học Bách khoa Vectơ phân cực điện môi §§ ĐốĐốii vvớớii đđiiệệnn mmôôii vvớớii phphâânn ttửử khkhôôngng pphhâânn ccựựcc tthhìì mmỗỗii pphhâânn ttửử đềđềuu ccóó cùcùngng ppe n P åei np. 1 e n : số phân tử trên một pee===np0. o DDVV đơn vị V pee=n0.p==n0αε00EEεχ ce: hệ số phân cực của e một đơn vị V 8
9. Đại học Quốc Gia TpHCM Trường Đại học Bách khoa Vectơ phân cực điện môi §§ ĐốĐốii vvớớii đđiiệệnn mmôôii vvớớii phphâânn ttửử ccóó pphhâânn ccựựcc tthhìì ccôônngg ththứứcc ththứứcc ttíínhnh vveectctơơ pphhâânn ccựựcc đđiiệệnn mmôôii llàà:: 2 np0. e k: Hằng số Boltzmann PE= εχ χe = e 0 e Với 3.ε0kT T: nhiệt độ tuyệt đối PE= εχ §§ ĐốĐốii vvớớii đđiiệệnn mmôôii ttiinnhh ththểể :: e 0 e 9
10. Đại học Quốc Gia TpHCM Trường Đại học Bách khoa Liên hệ giữa vectơ phân cực và mật độ điện mặt của điện tích liên kết s- s+ §§ XXeemm totoàànn bbộộ khkhốốii ttrrụụ nhnhưư mmộộtt - + llưỡưỡnngg ccựựcc đđiiệệnn ttạạoo rraa bbởởii ccáácc E a P đđiiệệnn ttíícchh lliiêênn kkếếtt sDsDSS vvàà ++sDsDSS - + DS n ttrrêênn hhaaii đđááyy nnằằmm ccáácchh nnhhaauu mmộộtt đđooạạnn L.L. MôMômmeenn đđiiệệnn ccóó đđộộ llớớnn L llàà sDsDSLSL 10
11. Đại học Quốc Gia TpHCM Trường Đại học Bách khoa Liên hệ giữa vectơ phân cực và mật độ điện mặt của điện tích liên kết §§ TThheeoo đđịịnnhh ngnghhĩĩaa ttaa ccóó:: n n p å ei å pei =Dσ SL 1 1 Pe = DV DV=DSL.cosα §§ TTừừ đđóó ttaa nhnhậậnn đđượược:c: σα==PPecos en §§ KKếếtt luluậậnn:: MMậậtt đđộộ đđiiệệnn ttíícchh lliiêênn kkếếtt xuxuấấtt hihiệệnn ttrrêênn mmặặtt gigiớớii hhạạnn ccóó ggiiáá trtrịị bbằằngng hhììnhnh cchihiếếuu ccủủaa vveectctơơ pphhâânn cực điện môi trên pháp tuyến của mặt giới hạn. cực điện môi trên pháp tuyến của mặt giới hạn. 11
12. Đại học Quốc Gia TpHCM Trường Đại học Bách khoa Điện trường tổng hợp trong điện môi E0 E=+EE0 ' + - E' - + + - - + E=-EE' + - - 0 + + - - + + - - σ + + - - E ' = σ==PEεχ + ene0 + - E - + ε + - - 0 + + - - EE00 + + - - E == + + - - 1+χεe + - - ε: gọi là hằng số điện môi 12
13. Đại học Quốc Gia TpHCM Trường Đại học Bách khoa Đường sức điện trường và đường cảm ứng khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường EE12tt= ε E1t EE= 2 12nnε 1 E1n ε2 E DD= 2t 21tt EO ε1 E2n DD12nn= 13
14. Đại học Quốc Gia TpHCM Trường Đại học Bách khoa Điện môi đặt biệt §§ ĐĐiiệệnn mmôôii SSééccnnhéhét:t: – Trong khoảng nhiệt độ xác định nào đó: hằng số điện môi rất lớn – Hằng số điện môi phụ thuộc vào cường độ điện trường trong điện môi – Giá trị Pe không những phụ thuộc vào điện trường trong điện môi mà còn phụ thuộc vào trạng thái phân cực trước đó. Nghĩa là khi tăng E đến ngưỡng nào đó thì Pe bão hoà. Sau đó ta giảm E đến không thì Pe không giảm xuống không mà sẽ có một giá trị nào đó. Hiện tượng này gọi là Phân cực còn dư hay hiện tượng điện trễ 14
15. Đại học Quốc Gia TpHCM Trường Đại học Bách khoa Hiệu ứng áp điện §§ HiHiệệuu ứứngng áápp đđiiệệnn :: kékéoo hhaayy nnéénn ttiinnhh ththểể đđiiệệnn mmôôii tthheeoo mmộộtt ssốố phphươươngng đđặặtt bibiệệtt nnààoo đđóó tthhìì ttrrêênn mmặặtt gigiớớii hhạạnn ttíícchh đđiiệệnn nhnhữữngng đđiiệệnn ttíícchh trtrááii ddấấuu §§ HiHiệệuu ứứngng nnààyy đđượượcc ssửử ddụụnngg đểđể bibiếếnn đđổổii ddaaoo đđộộngng ccơơ tthàhànhnh ddaaoo đđộộngng đđiiệện.n. §§ HiHiệệuu ứứngng áápp đđiiệệnn nnghghịịchch:: kkhhii áápp hihiệệuu đđiiệệnn ththếế hhaaii đđầầuu ttiinhnh ththểể tthhìì titinnhh ththểể ssẽẽ bbịị ggiãiãnn hhaayy nnéén.n. §§ NNếếuu hihiệệuu đđiiệệnn ththếế áápp vvààoo xxooaayy cchihiềềuu tthhìì ttiinhnh ththểể bbịị kékéoo nénénn lliiêênn ttụụcc TíTínhnh chchấấtt nnààyy đđượượcc ssửử ddụụngng đểđể ttạạoo nnguguồồnn ppháhátt ssiiêêuu âmâm 15
16. Tổng kết v Sự phân cực: hihiệệnn ttượượngng ttrrêênn tthhaanhnh đđiiệệnn mmôôii đđặặtt ttrroonngg đđiiệệnn trtrườườngng ccóó xuxuấấtt hihiệệnn đđiiệệnn ttííchch n P v Vectơ phân cực điện môi å ei p = 1 e DV v Liên hệ giữa vectơ phân cực và mật độ điện mặt của điện tích liên kết σα==PPecos en v Điện trường trong điện môi v Các điện môi đặc biệt. Và hiệu ứng áp điện 16