Xem mẫu
- TẬP ĐOÀN ĐIỆN LỰC VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
Môn học:
VẬT LIỆU ĐIỆN
1
- SỰ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI
Định nghĩa:
Phân cực điện môi là sự dịch chuyển của các điện tích
trong giới hạn 1 phân tử dưới tác động của điện tr ường
ngoài và hình thành moment điện.
Trạng thái của điện môi có thể được thể hiện bằng các
đại lượng sau:
Cường độ điện trường E
Độ phân cực P
Cảm ứng điện D
Năng lượng điện trường tích lũy trong điện môi
Mật độ năng lượng điện trường tích lũy2trong điện môi
- Tốc độ lan truyền sóng điện từ
Hệ số khúc xạ sóng điện từ
Bước sóng truyền dẫn sóng điện từ
Trở kháng sóng
F
E = (V / m)
Cường độ điện trường E
a)
q
+ -
q2
F=
4πεε o r 2
r
εo: hằng số điện môi
q
⇒E=
ε: hệ số điện môi
4πεε o r 2
r: khoảng cách giữa 2 điện tích
10 −9
εo = ( F / m)
36π 3
- ε
Cường độ điện trường trong tụ phẳng
ε chỉ thể hiện tính chất của điện mô ở U h
E=
khối lượng hay thể tích đủ lớn phản
h
ánh tính phân cựa của điện môi trong
U
điện trường. ε được gọi là tham số vĩ
mô.
ε1
ε1 > ε 2
U
h
E1 = E2 =
h
U
Cường độ điện trường trong 1 tụ phẳng được
làm từ điện môi đồng nhất có giá trị bằng nhau
ε2 ở mọi điện trong thể tích của điện môi và nó
không phụ thuộc vào hệ số điện môi.
h
Điện môi được gọi là đồng nhất nếu có ε bằng
nhau ở mọi điểm trong điện môi.
U
4
- Cường độ điện trường trong tụ hình trụ
U
Ex = d D
D
rx ln (r1) (r2)
d
U U
Emax = Emin =
r2 r2
r1 ln r2 ln
r1 r1
Cường độ điện trường của tụ trụ cũng không phụ thuộc vào hệ số
điện môi (đồng nhất). Nó có giá trụ cực đại ở bề mặt điện cực trong và
có giá trị cực tiểu ở bề mặt điện cực ngoài.
5
- Độ phân cực P
Độ phân cực P còn được gọi là cường độ phân cực, thể hiện sức phân
cực của điện môi trong điện trường và cũng như hệ số điện môi ε, nó
chỉ thể hiện ở khối lượng hoặc thể tích đủ lớn.
Nếu ta đưa 1 phân tử điện môi vào điện trường sẽ không có sự phân
cực.
+
+
+
-+
-
-
-
-
+
+
+
-
-
+
+
-
-
Khi chưa có điện trường Khi có điện trường
n
∑p p: độ phân cực từng phần tử điện môi
V: thể tích điện môi
P= i =1
V
6
- Cảm ứng điện D
Cảm ứng điện D là tổng hình học của hai vectơ cường độ điện trường
nhân với hằng số điện môi và vectơ cường độ phân cực P:
D = εoE + P
Mặt khác, giữa điện dịch và điện trường có quan hệ:
D = ε.εo.E
εoE + P = ε.εo.E
P = εoE (ε - 1)
εo = 1 + kE
kE ở mọi vật chất có giá trị >0. Trong chân không, kE = 0
7
- Để xác định hệ số của điện môi nào đó, người ta sử dụng phương
pháp thực nghiệm:
Đo điện dung của tụ điện trong chân không εo
Đo điện dung trong điện môi có εx
ε
εε o S ε oS
C= Co =
h h
h
C
ε=
Co
Đối với tụ trụ
2πεε ol 2πε ol Ctr
Ctr = =
Ctr _ o ⇒ε =
r2 r2 Ctr _ o
ln ln
r1 r1
8
- Quan hệ giữa điện trở và điện dung của đoạn cách điện
εε o S ε
C=
h
h
h
Rv = ρ v = Rcđ RS , ρ S ≈ ∞
S
Rcđ .C = ε .ε o .ρ
U
Tích điện dung và điện trở của đoạn cách
điện không phụ thuộc vào kích thước hình
t
học của điện môi mà chỉ phụ thuộc vào −
Uo U = e .U o
τ
bản chất của điện môi.
τ = R.C – Thời hằng tự phóng điện của tụ.
Nó thể hiện thời gian mà điện áp trên 2
đầu tụ nhỏ đi e lần so với thời điểm t = 0.
τ t
9
- Bài tập:
Cho một tụ điện được nạp đầy tới 1000V. Tụ được ngắt khỏi nguồn
và để hở mạch. Sau 10 phút, U trên 2 đầu tụ đo được là 200V. Cho ε
= 5. Xác định ρV của điện môi.
Giải: 600 ( s )
−
U
200 = e τ
.1000
t
−
Uo
τ = 600. ln(5) −1 = 372( s ) U = e .U o
τ
τ = R.C = εε o ρ v
600
ρv = ln(5) −1 = 8,432.10 −12 (Ω m) τ t
εo
10
- Năng lượng điện trường tích luỹ trong điện môi:
1 1 εε o S 2
W = C.U 2 Tụ phẳng:
W= .U ( J )
2 2h
Mật độ năng lượng điện trường tích luỹ trong điện môi:
W
Wo = V: Thể tích điện môi
V
1 εε o S 2 1
⇒ Wo = .U
V = S .h
2h S .h
1
Wo = εε o E 2
2
11
- Tốc độ lan truyền sóng điện từ
1
v= Trong đó:
εε o µµ o µo: Hằng số từ thẩm
εo: Hệ số điện thẩm
10 −9 F
−7 H
εo =
µ o = 4π 10 ( ) ()
36π m
m
1
c= = 3.108 (m / s )
ε oµo
c
c
⇒v=
v= Ở vật chất không nhiễm từ, µ = 1
ε
εµ
εnước = 4; εthuỷ tinh = 8 Vthuỷ tinh > vnước ánh sáng truyền trong
thuỷ tinh nhanh hơn truyền trong nước.
12
- Hệ số khúc xạ sóng điện từ (chiết suất)
n = εµ ⇒n= ε
Ở vật chất không nhiễm từ, µ = 1
Bước sóng truyền dẫn sóng điện từ
λvật chất = v.t
λchân không = c.t
Trở kháng sóng
µµ o Chân không:
ZC =
εε o
µo 4π .10 −7
= = = 377(Ω )
Z C _ ck −9
εo 10
36π
13
- Điện môi có cực và điện môi không cực
Bất cứ 1 loại điện môi nào cũng có tổng đại số của điện tích (-) bằng
tổng đại số của các điện tích (+).
Để có thể phân biệt điện môi không cực, có cực, người ta dùng
phương pháp thực nghiệm sau:
- Lấy trọng tâm các điện tích (+) thành 1 điện tích duy nhất.
- Làm tương tự với các điện tích (-)
Nếu 2 trọng tâm trùng nhau không cực
Nếu 2 trọng tâm không trùng nhau có cực.
Cách khác: xác định cấu trúc phân tử của điện môi. Cấu trúc đối xứng
không cực, cấu trúc không đối xứng có cực.
14
- Bản chất vật lý của phân cực điện môi
Giũa phân cực điện môi và tính dẫn điện của điện môi đều là sự dịch
chuyển của các điện tích dưới tác động của điện trường ngoài. Nhưng
giữa chúng có sự khác biệt cơ bản:
Phân cực điện môi là sự dịch chuyển của các điện tích trong giới
hạn của 1 phân tử. Tính dẫn điện của điện môi là sự dịch chuyển của
các điện tích trên khoảng cách dài.
+
+ -+
+
-+ -
-
-
-
+
+
-
Tính phân cực
+
-
+
-
- +
+
+ - Tính dẫn điện
+
-
-
Khi chưa có điện trường Khi có điện trường
15
- Phân cực điện môi là sự tham gia của tất cả các phân tử. Tính dẫn
điện của điện môi chỉ là sự tham gia của một số lượng nhỏ điện tích
tạp chất.
Phân cực điện môi có tính chất đàn hồi. Nếu ngừng tác động của
điện áp các phần tử có xu hướng quay về trạng thái đầu. Tính dẫn
điện không có trạng thái này.
Ở điện áp 1 chiều, dòng điện phân cực chỉ tồn tại ở thời điểm đóng
và ngắt điện áp.
Ở điện áp xoay chiều, dòng điện phân cực tồn tại trong suốt th ời
gian đặt điện áp, nhưng pha của dòng điện sớm pha hơn điện áp 90 o
Các dạng phân cực tồn tại trong thiên nhiên:
• Phân cực điện tử tích thoát
• Phân cực điện tử
• Phân cực ion • Phân cực kết cấu
• Phân cực lưỡng cực • Phân cực tự phát
• Phân cực ion tích thoát
16
- Phân cực điện tử
a)
Là sự dịch chuyển của điện tử so với hạt nhân dưới tác động của điện
trường ngoài.
Đặc điểm:
- Có mặt ở mọi loại điện môi, không phụ thuộc vào các dạng phân
cực khác.
- Thời gian hoàn thành phân cực rất nhanh
- Không gây tổn thất năng lượng
- Không phụ thuộc vào tần số điện áp đặt
- Không phụ thuộc vào nhiệt độ.
α: Hệ số phân cực điện tử
α đt = 4π .ε o .r 3
r: bán kính nguyên tử
10 −9
Hệ số phân cực điệ tử tỉ lệ với lập
εo = ( F / m)
phương bán kính của nguyên tử.
36π 17
- Phân cực ion
b)
Là sự dịch chuyển của các ion so với vị trí ban đầu dưới tác động của
điện trường ngoài.
Đặc điểm:
- Thời gian hoàn thành phân cực rất nhanh (10-14 ÷ 10-13 (s))
- Không gây tổn thất năng lượng
- Không phụ thuộc vào tần số điện áp đặt
- Phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ.
- Khoảng cách dịch chuyển luôn nhỏ hơn rất nhiều so với chu kỳ a
của lưới tinh thể.
3
a α: Hệ số phân cực điện tử
α ion = 4π .ε o .
2 a: khoảng cách chu kỳ lưới tinh
thể
10 −9
Hệ số phân cực điệ tử tỉ lệ với lập
εo = ( F18 m)
/
phương của nửa khoảng cách ion
36π
- Phân cực lưỡng cực
c)
Sự khác biệt cơ bản giữa phân cực lưỡng cực với phân cực điện tử và
phân cực ion là các phần tử lưỡng cực dao động nhiệt một cách hỗn
loạn và một phần chúng được định hướng theo điện trường.
Đặc điểm:
- Thời gian hoàn thành phân cực rất lớn gọi là phân cực chậm
- Gây tổn thất năng lượng
- Không phụ thuộc vào tần số điện áp đặt
- Khi ngừng tác động của điện áp, các phần tử lưỡng cực chuyển
về trạng thái ban đầu.
- Độ phân cực phụ thuộc vào tần số điện áp đặt (tần số tăng độ
phân cực và hệ số điện môi giảm).
19
- Phân cực ion tích thoát
d)
Là đặc tính phân cực của điện môi có cấu trúc ion không không chặt
và ở góc độ nào đó nó giống phân cực lưỡng cực.
Đặc điểm:
- Thời gian hoàn thành phân cực rất lớn so với phân cực điện tử và
phân cực ion.
- Gây tổn thất năng lượng
- Không phụ thuộc vào tần số điện áp đặt
- Khi ngừng tác động của điện áp, các phần tử lưỡng cực chuyển
về trạng thái ban đầu.
- Khác biệt cơ bản so với phân cực lưỡng cực là độ phân cực p và
hệ số điện môi liên tục tăng theo nhiệt độ.
20
nguon tai.lieu . vn
