Bài giảng môn Vật liệu điện: Chương 3 - TS. Nguyễn Văn Dũng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:59

Thêm vào BST

Báo xấu

62
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng môn Vật liệu điện: Chương 3 giúp người học hiểu về Các quá trình vật lý trong điện môi. Nội dung trình bày cụ thể gồm có: Sự phân cực của điện môi; Tính dẫn điện của điện môi; Tổn hao trong điện môi. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng môn Vật liệu điện: Chương 3 - TS. Nguyễn Văn Dũng

Chương III: Các quá trình vật lý trong điện môi Sự phân cực của điện môi Tính dẫn điện của điện môi Tổn hao trong điện môi TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
1. Sự phân cực của điện môi a. Hằng số điện môi Mỗi chất điện môi (cách điện) được đặc trưng bởi hằng số điện môi εr (εr>1) Hằng số điện môi đo lường mức độ phản ứng của vật liệu khi chịu tác động của điện trường ngoài Vật liệu εr Không khí 1,00059 Giấy 3,7 Thủy tinh 4-6 Nước 80 TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
* Thí nghiệm 1: Tụ điện được nối kết với điện áp không đổi Chân không Bắt đầu chèn khối Khối điện môi được điện môi chèn hoàn toàn Điện tích trên bề mặt điện cực tăng lên khi điện môi lấp đầy khe hở giữa các bản cực TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
Trước khi chèn khối điện môi, tụ điện có điện dung Co và tổng điện tích trên bản cực là Qo Sau khi chèn khối điện môi: tụ điện có điện dung C và tổng điện tích tăng εr lần từ Qo lên Q (quan sát từ thí nghiệm) Q = ε r Qo = Qo + Q p Q ε r Qo C= = = ε r Co Vo Vo - Điện môi làm tăng điện dung của tụ điện tăng lên εr - Điện trường tổng không thay đổi (E = Eo = Vo/d) TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
Câu hỏi thảo luận? 1. Tại sao điện trường tổng của hệ thống không đổi? 2. Điện trường giữa hai bản cực tăng hay giảm? TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
* Thí nghiệm 2: Tụ điện có điện tích trên bản cực không đổi Vo εr V Qo Qo Đầu tiên tụ điện được nạp đến điện áp Vo, điện tích trên bản cực là Qo. Ngưng nạp và ngắt tụ điện khỏi nguồn để giữ điện tích trên bản cực Qo là không đổi. Qo Co = Vo TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
Sau khi chèn khối điện môi: tụ điện có điện dung C và điện áp trên tụ điện giảm εr lần từ Vo về V (quan sát từ thí nghiệm) Vo V= εr Q Qo C= = = ε r Co Animation V Vo / ε r Điện môi làm tăng điện dung của tụ điện lên εr lần Điện trường trong chất điện môi V Vo / ε r Eo Điện môi làm giảm E= = = d d εr cường độ điện trường εr lần TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
* Thí nghiệm 1: điện môi làm tăng điện tích trên bản cực Đều tăng điện dung * Thí nghiệm 2: điện môi làm của tụ điện εr lần giảm điện áp giữa hai bản cực Nguyên nhân: điện môi bị phân cực dưới tác động của điện trường (xuất hiện lưỡng cực điện) ⇒ Tăng điện dung TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
b. Sự phân cực điện môi Định nghĩa: Phân cực là sự chuyển dịch có giới hạn của các điện tích liên kết hoặc sự định hướng của các phân tử lưỡng cực dưới tác dụng của lực điện trường Điện tích tự do: di chuyển Điện tích liên kết: không giữa nguồn và bản cực di chuyển, phân bố trên bề mặt điện môi Lưỡng cực điện TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
Moment điện của lưỡng cực a Đại lượng vectơ Chiều từ điện tích âm đến điện tích dương - + Độ lớn được xác định -q p +q bằng công thức p = qa p = qa TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
Vectơ cường độ phân cực A * Vectơ cường độ phân cực P đặc trưng cho sự phân cực của khối điện h môi, được tính bằng mật độ moment điện khối Khối điện môi có chiều cao h, N 1 P = ∑ pi diện tích bề mặt A. Khối điện môi chứa N lưỡng V i cực điện. Mỗi lưỡng cực điện có 2 vectơ moment điện p (C / m ) Các lưỡng cực điện phân bố đều trong toàn bộ thể tích điện môi TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
Trong trường hợp xem xét, các moment điện có cùng phương, cùng chiều và bằng nhau ⇒ độ lớn của vectơ cường độ phân cực P được tính Np P= Ah P có cùng phương và chiều với các moment điện p ⇒ cùng phương và chiều với cường độ điện trường ngoài E - + E P - + TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
Khi phân cực, ảnh hưởng của điện tích dương của lưỡng cực bất kỳ bị triệt tiêu bởi điện tích âm của lưỡng cực khác bên trên nó ⇒ tác động của tổng điện tích bên trong khối điện môi bằng 0 Tác động của điện tích dương ở mặt trên và điện tích âm ở mặt dưới của khối điện môi là không bị triệt tiêu ⇒ tương đương khối điện môi được tích điện +QP và -QP ở hai bề mặt +QP A A + ++ + + ++ + + + h ≈ h pt - - - - - -- - - - -QP TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
Moment điện của nguyên khối điện môi N pt = QP h = ∑ pi = Np i Mà: QP P= =σP Np QP h A P= = Ah Ah Độ lớn của vectơ cường độ phân cực bằng với mật độ điện tích mặt trên bề mặt điện môi do phân cực tạo ra TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
Trong trường hợp tổng quát, vectơ cường độ phân cực P lệch với pháp vectơ n của bề mặt điện môi góc θ E pt = QPl = σ P A.l h P pt pt - + θ P= = A.h A.l. cosθ n Pn l Mật độ điện tích mặt do phân cực gây ra có độ lớn bằng σ P = P cosθ = Pn thành phần pháp tuyến của vectơ cường độ phân cực TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
Cường độ điện trường trung bình tạo bởi phân cực +QP A A + ++ + + ++ + + + Eext. EP h ≈ h P - - - - - -- - - - -QP QP σ P P Định lý Gauss EP = = = Aε o ε o ε o P EP = − εo TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
c. Tương quan giữa hằng số điện môi và cường độ phân cực Vectơ cảm ứng điện D - Chân không Do = ε o Eo - Điện môi: điện tích trên bản cực tăng một lượng QP từ Qo lên Q Q = Qo + QP Q = εr Qo TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
Từ định luật Gauss Do Q Qo D = = ε r = ε o E o ε r = Doε r (*) A A Sau khi chèn khối điện môi, cảm ứng điện D tăng εr lần Ngoài ra Q Qo + QP D= = = σ o + σ P = ε o Eo + P = Do + P (**) A A Sự phân cực của điện môi làm tăng cảm ứng điện D TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
D = ε oε r E (*) Q Qo + QP D= = = σ o + σ P = ε o Eo + P = Do + P (**) A A Từ * và ** ε oε r E = ε o E + P ⇒ P = (ε r −1)ε o E P ⇒ε r = 1 + εoE TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
c. Tương quan giữa độ cảm điện môi và hệ số phân cực Độ cảm điện môi (χ): diễn tả mức độ dễ bị phân cực của điện môi dưới tác động của điện trường ngoài P = χεo E Hệ số phân cực điện môi (α): đặc trưng cho khả năng phân cực của phân tử điện môi (Fm2) p = αE Mà P = Np = NαE N: mật độ phân tử ⇒ NαE = χεo E 1 ⇒χ = Nα εo TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.