Vật dẫn điện và chất điện môi

Ðiện Quang đại cương

CHƯƠNG 12  VẬT DẪN ÐIỆN VÀ CHẤT ÐIỆN MÔI    

1. VẬT DẪN TRONG ÐIỀU KIỆN CÂN BẰNG TĨNH ÐIỆN
   1. Ðiều kiện cân bằng tĩnh điện của một vật dẫn mang điện.
   2. Các tính chất của vật dẫn cân bằng tĩnh điện.    
2. VẬT DẪN ÐẶT TRONG ÐIỆN TRƯỜNG               
   1. Hiện tượng điện hưởng.                       
   2. Màn điện.                          
3. SỰ PHÂN CỰC CỦA CHẤT ÐIỆN MÔI   
   1. Khái niệm.                               
   2. Giải thích hiện tượng phân cực.           
4. ÐIỆN TRƯỜNG TRONG CHẤT ÐIỆN MÔI         
5. ÐIỆN MÔI SÉCNHÉT- HIỆU ỨNG ÁP ÐIỆN    
   1. Ðiện môi Sécnhét.                                 
   2. Hiệu ứng áp điện.              
6. ÐIỆN DUNG CỦA CÁC VẬT DẪN.           
   1. Ðịnh nghĩa.                          
   2. Ðiện dung của tụ điện.                  
   3. Các loại tụ điện thường dùng.         
7. NĂNG LƯỢNG ÐIỆN TRƯỜNG            
   1. Năng lượng của tụ điện.              
   2. Năng lượng của trường tĩnh điện.              

Trong vật dẫn các điện tích có thể dịch chuyển dưới tác dụng của điện trường. Nhưng về phương diện tĩnh điện, ta chỉ xét những điện tích nằm ở trạng thái cân bằng điện, tức là trạng thái trong đó các điện tích đứng yên. Ðiều kiện cân bằng tĩnh điện của một vật dẫn mang điện tích là điện trường bên trong vật dẫn phải bằng không. Thực vậy, nếu điện trường đó khác không thì dưới tác dụng của điện trường này, các điện tích sẽ dịch chuyển, cân bằng tĩnh điện sẽ bị phá huỷ.

b Ðiện trường tại mặt vật dẫn phải có phương vuông góc với mặt vật dẫn tại mọi điểm của nó.

c. Vật dẫn cân bằng tĩnh điện là một vật đẳng thế.

Ðiểm 2 lấy bất kỳ trong vật dẫn. Do đó ta có thể kết luận mọi điểm của vật dẫn cân bằng tĩnh điện đều có cùng một điện thế. Nói cách khác: Vật dẫn cân bằng tĩnh điện là một vật đẳng thế.

Trong phần trên ta đã biết điện thế chỉ phân bố ở trên mặt ngoài của vật dẫn. Nhưng thực nghiệm và lý thuyết đã chứng tỏ sự phân bố điện tích ở trên mặt phụ thuộc vào hình dạng của vật dẫn. Chỉ có những vật dẫn có dạng hình cầu hay mặt phẳng, điện tích mới phân bố đều trên mặt. Còn đối với những vật dẫn có hình dạng khác thì điện tích phân bố không đều trên mặt. Nơi nào lồi nhiều, mật độ điện tích sẽ lớn, đặc biệt là ở những mũi nhọn của vật dẫn, điện tích tập trung rất nhiều. Ðiện trường do các điện tích này gây ra tại vùng xung quanh sát với mũi nhọn sẽ rất lớn. Dưới tác dụng của điện trường này, lớp không khí gần sát mũi nhọn sẽ bị iôn hóa. Các phần tử mang điện tích khác dấu với điện tích của mũi nhọn mất dần vì bị trung hòa. Còn các phần tử mang điện cùng dấu với điện tích của mũi nhọn sẽ bị mũi nhọn đẩy bật ra xa, lôi kéo theo không khí và tạo thành một luồng gió gọi là gió điện (Hình 12.4).

Do hiệu ứng mũi nhọn, vật dẫn mất điện tích. Vì vậy để tránh hao hụt điện trong các máy móc, đầu vật dẫn thường được làm tròn. Ngược lại nhiều khi người ta lợi dụng hiệu ứng này. Ví dụ: máy bay khi bay vào trong những đám mây thường bị tích điện. Do đó điện thế của máy bay thay đổi, ảnh hương xấu đến việc sử dụng thiết bị vô tuyến điện trong máy bay.

Hiện tượng vật dẫn trung hoà điện trở thành tích điện do ảnh hưởng của một vật mang điện, gọi là hiện tượng điện hưởng. Người ta phân biệt hai trường hợp điện hưởng:

a) Trường hợp điện hưởng một phần.

Ðó là trường hợp vật dẫn trung hoà điện không bao kín vật mang điện. Trong trường hợp này chỉ có một phần các đường sức của vật mang điện gặp phần vật dẫn chịu ảnh hưởng. Nếu gọi điện tích của vật mang điện  C là +q thì điện tích xuất hiện ở đầu A của vật chịu ảnh hưởng điện sẽ là -q', còn ở đầu B sẽ là +q'. Thực nghiệm và lý thuyết đã xác nhận

Khi đó sự dịch chuyển điện tích ở trong vật dẫn AB sẽ dừng lại, ở hai đầu A và B của vật dẫn sẽ xuất hiện các điện tích q' và +q'. Nếu vật dẫn rổng người ta cũng chứng minh được điện trường ở trong lỗ của vật dẫn bằng không dù vật dẫn được đặt ở trong điện trường ngoài (Hình  12.8).

b) Trường hợp điện hưởng toàn phần.

Ðó là trường hợp vật dẫn trung hoà điện A bao bọc hoàn toàn vật mang điện C    (Hình 12.9). Khi đó nếu vật mang điện có điện tích +q thì mặt trong A của vật dẫn bao bọc sẽ xuất hiện điện tích q. Mặt ngoài B của vật dẫn sẽ xuất hiện điện tích +q'. Vì đây là trường hợp điện hưởng toàn phần nên:

 Trong trường hợp này, tất cả các đường sức xuất phát từ vật mang điện đều đến gặp vật dẫn bao bọc nó. 

Giả sử có một vật dẫn rỗng B đặt gần một vật mang điện C (Hình 12.10). Như trên, người ta có thể chứng minh được điện trường ở trong phần rỗng bằng không. Nếu trong phần rỗng của vật B có đặt một vật A thì vật A sẽ không chịu ảnh hưởng điện của vật C. Nói cách khác, vật dẫn rỗng B có tác dụng như một cái màn che chở cho vật A khỏi bị ảnh hưởng điện trường của các vật mang điện bên ngoài. Vật dẫn rỗng B được gọi là màn điện.

Màn điện có rất nhiều ứng dụng. Các máy tĩnh điện thường được đặt trong một vỏ bằng kim loại để tránh ảnh hưởng điện bên ngoài. Vỏ kim loại đó giữ vai trò của màn điện. Các đèn điện tử, các dây điện thoại, dây micrô đều được bọc ở ngoài bằng những lưới thép. Lưới thép có tác dụng như một màn điện giữ cho chế độ làm việc của đèn và dòng điện chạy trong dây được ổn định, không bị nhiễu bởi ảnh hưởng điện bên ngoài

Ðể giữ cho điện thế của màn không đổi, người ta nối màn điện với đất. Nếu trên màn điện có các điện tích thì các điện tích này sẽ theo dây dẫn truyền xuống đất. Dây nối với đất được gọi là dây "mass". 

Khác với các chất dẫn điện, trong các chất điện môi không có các điện tích tự do. Chúng không thể dẫn điện được. Tuy nhiên khi ta đặt một thanh điện môi, thanh êbônit chẳng hạn, vào trong một điện trường đủ lớn thì ở hai đầu thanh cũng xuất hiện các điện tích. Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng phân cực điện môi. Hiện tượng này bề ngoài có vẻ giống như trường hợp ta đặt một vật dẫn vào trong một điện trường. Nhưng quá trình xuất hiện các điện tích ở trên hai đầu thanh êbônit như thế nào và điện trường ở bên trong chất điện môi có bị triệt tiêu như trong trường hợp vật dẫn không, đó là những vấn đề chúng ta sẽ giải quyết.

a) Lưỡng cực phân tử.

Ta biết rằng mỗi phân tử của chất điện môi đều gồm hai phần: một phần gồm các hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương và phần còn lại là các êlectrôn mang điện tích âm quay quanh các hạt nhân. Bình thường, các phân tử của chất điện môi trung hoà điện. Về phương diện điện, ta có thể thay phần điện tích âm của các êlectrôn bằng điện tích q đặt tại trọng tâm điện tích âm O_ và thay phần điện tích dương của các hạt nhân bằng điện tích +q đặt tại tâm điện tích dương O+ .

Do sự  phân bố của các êlectrôn quanh các hạt nhân người ta chia chất điện môi làm hai loại: một loại có các êlectrôn phân bố không đối xứng quanh các hạt nhân. Ðối với loại này, trọng tâm điện tích âm O_ và trọng tâm điện tích dương O+  cách nhau một đoạn  (Hçnh 12.11a). Nhæ váûy mäùi phán tæí cuía cháút âiãûn mäi coï thãø coi nhæ mäüt læåîng cæûc điện gọi là lưỡng cực phân tử có mômen lưỡng cựcĠ. VectơĠ hướng từ O_ đến O+. Phân tử loại trên gọi là phân tử tự phân cực. Ðó là trường hợp của các chất điện môi như H2O,Ġ (nguyên chất). Loại phân tử thứ hai có các êlectrôn phân bố đối xứng quanh các hạt nhân. Khi đó trọng tâm các điện tích âm O_ và trọng tâm điện tích dương O+ trùng nhau. Phân tử không trở thành lưỡng cực điện và được gọi là phân tử không tự phân cực. Ðó là trường hợp của các chất điện môi (Hình 12.11b) và các khí hiếm.

Ta có thể giải thích quá trình xuất hiện điện tích ở trên chất điện môi dựa vào cấu tạo phân tử của chất điện môi. Ở đây chỉ giới hạn nghiên cứu trường hợp chất điện môi đồng chất và đẳng hướng. Chất điện môi đồng chất và đẳng hướng là chất điện môi trong đó các tính chất vật lý nói chung và sự phân cực nói riêng tại mọi điểm và theo mọi phương đều như nhau.

b) Giải thích hiện tượng phân cực.

Ta xét một khối điện môi đặt trong một điện trường và  lần lượt nghiên cứu quá trình phân cực của hai loại chất điện môi kể trên.

Loại chất điện môi có phân tử tự phân cực: Ðối với loại này, khi ta chưa đặt khối điện môi vào trong điện trường, các lưỡng cực phân tử do chuyển động nhiệt nên sắp xếp hổn loạn theo mọi phương (Hình 12.12). Do đó tổng vectơ của các mômen lưỡng cực phân tử bằng không, trên khối điện môi không xuất hiện các điện tích.

Như vậy có các điện tích trái dấu xuất hiện ở hai mặt giới hạn trước và sau của khối điện môi. Mặt điện trường ngoài đi vào sẽ tích điện âm, mặt điện trường ngoài đi ra sẽ tích điện dương. Chất điện môi đã bị phân cực. (Trên các hình vẽ 12.13, 12.14, và 12.16 điện trường ngoàiĠhướng từ trái sang phải).

Loại chất điện môi có phân tử không tự phân cực. Ðối với loại này, khi ta chưa đặt khối điện môi vào trong điện trường ngoài, các trọng tâm điện tích dương và âm của các phân tử trùng nhau. Trong khối điện môi không có các lưỡng cực phân tử xuất hiện và trên mặt khối điện môi cũng không có các điện tích xuất hiện (Hình 12.15)

Kết luận: Dù chất điện môi thuộc loại nào, khi đặt vào trong một điện trường ngoài thì ở trên hai mặt giới hạn của khối điện môi cũng xuất hiện các điện tích trái dấu. Các điện tích này đều là các điện tích liên kết, định xứ ở trên mặt giới hạn của khối điện môi.

Tuỳ theo chất điện môi, điện tích của các lưỡng cực phân tử sẽ lớn hay nhỏ và tuỳ thuộc theo cường độ điện trườngĠbên ngoài và các lưỡng cực phân tử sẽ quay hướng nhiều hay ít. Vậy mức độ phân cực của một chất điện môi phụ thuộc vào bản chất của chất điện môi và cường độ điện trường bên ngoài. 

c. Vectơ phân cực điện môi

Ðể đặc trưng cho mức độ phân cực của chất điện môi, người ta đưa khái niệm  vectơ phân cực điện môi. Vectơ phân cực điện môiĠbằng tổng các vectơ mômen lưỡng cực điệnĠcủa các phân tử có trong một đơn vị thể tích của chất điện môi. Chúng ta hãy xét một thể tích V của một khối điện môi đã bị phân cực. Thể tích đó phải lớn hơn rất nhiều so với kích thước của phân tử để có thể chứa được một số lớn các phân tử. Từ  định nghĩa của véc tơ phân cực, ta có thể viết:

a) Trong một khoảng nhiệt độ nào đấy hằng số điện môi của chúng có giá trị rất lớn vào khoảng 10000.

b) Hằng số điện môi này phụ thuộc vào cường độ điện trường trong chất điện môi.

c) Sau khi bỏ điện trường ngoài đi, chất muối này vẫn còn bị phân cực. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng điện trễ .

d) Vượt quá một nhiệt độ Tc nào đó (phụ thuộc vào bản chất của muối Sécnhét) muối Sécnhét mất hết các đặc tính trên và trở thành chất điện môi thường. Nhiệt độ Tc gọi là nhiệt độ Curie.

Hiện nay muối Sécnhét có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật. Vì có hằng số điện môi rất lớn nên một trong những ứng dụng quan trọng của muối Sécnhét là dùng nó để chế tạo các tụ điện có điện dung lớn  nhưng kích thước lại nhỏ, rất tiện dùng.

a. Hiệu ứng áp điện thuận.

biến dạng, trước nén sau giãn hoặc ngược lại thì điện tích xuất hiện ở hai mặt trên cũng đổi dấu. Do điện tích trái dấu xuất hiện nên giữa hai mặt này có một hiệu điện thế. Nếu gắn vào hai mặt này hai tấm kim loại và nối lại bằng một dây dẫn thì trong dây sẽ có dòng điện chạy. Hiệu ứng áp điện thuận được dùng để chuyển các đại lượng cơ học (như lực tác dụng) thành các nguồn phát siêu âm.

Giả sử có một vật dẫn cô lập (nghĩa là một vật không tương tác điện với các vật khác). Ta tích cho vật đó một điện tích Q thì điện thế của vật đó sẽ bằng V. Thực nghiệm chứng tỏ điện tích Q của vật dẫn cô lập tỷ lệ với điện thế V của nó:

            Q = CV                                                                        (12.19)

trong đó C là hệ số tỷ lệ phụ thuộc hình dạng, kích thước của vật dẫn cô lập và được gọi là điện dung của vật dẫn đó.

Trong công thức trên, ta nhận thấy Q = C khi V = 1 Vol. Vậy điện dung của vật dẫn cô lập là một đại lượng vật lý, về trị số bằng điện tích mà vật dẫn tích được khi điện thế của nó được đưa từ 0 đến 1 Vol.

a.Tụ điện : Tụ điện được định nghĩa là một hệ thống hai vật dẫn cô lập ở điều kiện hưởng ứng điện toàn phần (Hình 12.20)

Vậy Fara là điện dung của một tụ điện khi có điện lượng 1 Culông thì hiệu điện thế giữa hai bản bằng 1 Vol.

a  Tụ điện phẳng:      

Như vậy, nếu giữa hai bản có chứa chất điện môi có hằng số điện môi là ( thì điện dung của tụ điện sẽ tăng lên ( lần so với khi giữa hai bản là chân không hay không khí.

Từ biểu thức trên của điện dung ta nhận thấy muốn cho điện dung C của tụ điện lớn thì diện tích S của hai bản phải lớn và khoảng cách d giữa hai bản phải nhỏ. Nhưng mỗi tụ điện chỉ chịu được một hiệu điện thế nhất định; Vượt quá hiệu điện thế đó, sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện giữa hai bản của tụ điện. Tụ điện sẽ bị hỏng. Do đó để tăng điện dung C ta không thể giảm mãi khoảng cách d giữa hai bản được. Hiệu điện thế lớn nhất mà tụ điện có thể chịu được gọi là hiệu điện thế xuyên thủng.

Với chất điện môi secnhét là chất có hằng số điện môi ( rất lớn ta không cần phải tăng diện tích S và giảm khoảng cách d nhiều mà điện dung của tụ điện vẫn lớn