Chất điện môi là gì ? Công thức tính hằng số điện môi ra sao?

Chất điện môi là một trong các loại vật liệu sử dụng nhiều trong cuộc sống hàng ngày, vậy thì Chất điện môi là gì và các ứng dụng của chất điện môi ra sao? Trong bài viết này chúng ta sẽ đi tìm hiểu rõ hơn về chất điện môi bạn nhé!

Chất điện môi là gì ?

Chất điện môi là chất dẫn điện kém, là các vật chất có điện trở suất cao (107 ÷ 1017Ω.m) ở nhiệt độ bình thường. Chất cách điện gồm phần lớn các vật liệu vô cơ cũng như hữu cơ. Điện môi là những chất không dẫn điện (cách điện). Trong phân tử của các chất điện môi, số lượng các điện tích tự do là rất ít. Điều này làm khả năng mang điện của nó rất kém. Nhưng khi điện trường tăng vượt quá 1 giá trị giới hạn thì điện môi bị đánh thủng (mất tính cách điện), mỗi điện môi khác nhau có 1 điện trường giới hạn khác nhau hằng số điện môi ε chỉ phụ thuộc vào tính chất của điện môi. Hằng số điện môi của chân không = 1.

Khi điện môi được đặt trong điện trường , thực tế không có dòng điện chạy trong chúng bởi vì, không giống như kim loại, chúng không có các electron liên kết lỏng lẻo hoặc tự do có thể trôi qua vật liệu. Thay thế phân cực điện xảy ra. Các điện tích dương trong điện môi được dịch chuyển dần theo hướng của điện trường và các điện tích âm được dịch chuyển dần theo hướng đối diện với điện trường. Sự phân tách điện tích nhẹ hoặc phân cực này làm giảm điện trường trong lớp điện môi.

Sự hiện diện của vật liệu điện môi ảnh hưởng đến các hiện tượng điện khác. Lực giữa hai điện tích trong môi trường điện môi nhỏ hơn so với trong chân không , trong khi lượng năng lượng được lưu trữ trong điện trường trên một đơn vị thể tích của môi trường điện môi là lớn hơn. Các điện dung của một tụ điện chứa đầy chất điện môi lớn hơn trong chân không. Ảnh hưởng của điện môi đến các hiện tượng điện được mô tả trên quy mô lớn hoặc vĩ mô bằng cách sử dụng các khái niệm như hằng số điện môi, độ thấm và phân cực.

Phân loại và ứng dụng của chất điện môi

Chất điện môi thụ động (vật liệu cách điện và vật liệu tụ điện): là các vật chất được dùng làm chất cách điện và làm chất điện môi trong các tụ điện như mi ca, gốm, thuỷ tinh, pôlyme tuyến tính, cao su, sơn, giấy, bột tổng hợp, keo dính,…

Chất điện môi thụ động là gì ?

Chất điện môi thụ động (vật liệu cách điện và vật liệu tụ điện): là các vật chất được dùng làm chất cách điện và làm chất điện môi trong các tụ điện như mi ca, gốm, thủy tinh, polyme tuyến tính, cao su, sơn, giấy, bột tổng hợp, keo dính,…

Chất điện môi tích cực là gì ?

Chất điện môi tích cực là các vật liệu có hằng số điện môi có thể điều khiển được bằng:

Điện trường (VD: gốm, thuỷ tinh,..)

Cơ học (chất áp điện như thạch anh)

Ánh sáng (chất huỳnh quang)

Các tính chất của chất điện môi

Một chất được gọi là chất điện môi sẽ có các tính chất đặc trưng như sau:

• Độ thẩm thấu điện tương đối (hằng số điện môi–ε)
• Độ tổn hao điện môi (Pa)
• Độ bền về điện của chất điện môi (Eđ.t)
• Nhiệt độ chịu đựng
• Dòng điện trong chất điện môi (I)
• Điện trở cách điện của chất điện môi

Hằng số điện môi là gì ?

Lực tương tác giữa các vật mang điện phụ thuộc vào môi trường xung quanh chúng. Thí nghiệm chứng tỏ rằng, ở một khoảng cách nhất định, lực Coulomb giữa hai điện tích đặt trong điện môi đồng chất nhỏ hơn lực tác dụng giữa chúng trong chân không ε lần (đọc là epsilon). Đây là một hằng số phụ thuộc vào tính chất của điện môi mà không phụ thuộc vào độ lớn và khoảng cách giữa các điện tích. Nó được gọi là hằng số điện môi của môi trường, đặc trưng cho tính chất điện của môi trường đó. Nó là đại lượng không có thứ nguyên; tức là một số thuần túy, không có đơn vị. Hằng số điện môi đôi khi còn được gọi đầy đủ là độ điện thẩm tương đối; do nó bằng tỷ số giữa độ điện thẩm của môi trường và độ điện thẩm chân không:

Hằng số chất điện môi ký hiệu là ε, nó biểu thị khả năng phân cực của chất điện môi. Biểu thức thể hiện có dạng

Trong đó:

Cd: điện dung của tụ điện sử dụng chất điện môi

C0: điện dung của tụ điện sử dụng chất điện môi là chân không hoặc không khí

Chất điện môi dùng làm tụ điện cần có hằng số điện môi ε lớn, còn chất điện môi dùng làm chất dẫn điện có ε nhỏ. Với chân không, hằng số điện môi hiển nhiên bằng 1. Trong công nghiệp, việc xác định Hằng số điện môi của chất rất quan trọng để quyết định chọn lại cảm biến đo mức nào cho phù hợp. Dưới đây là bảng hằng số điện môi của một số chất mà các bạn có thể tham khảo thêm:

Độ tổn hao điện môi (Pa) là gì ?

Độ tổn hao điện môi là công suất điện tổn hao để làm nóng chất điện môi khi đặt nó trong điện trường, được xác định thông qua dòng điện rò.

Trong đó:

U là điện áp đặt lên tụ điện (V)

C là điện dung của tụ điện dùng chất điện môi (F)

ω là tần số góc (rad/s)

tgδ là góc tổn hao điện môi

Nếu tổn hao điện môi trong tụ điện cơ bản là do điện trở của các bản cực, dây dẫn và tiếp giáp (vd: lớp bạc mỏng trong tụ mi ca và tụ gốm) thì tổn hao điện môi sẽ tăng tỉ lệ với bình phương của tần số:

Vậy nên trong thực tế, các tụ điện làm việc ở tần số cao cần phải có các bản cực, dây dẫn và tiếp giáp được tráng bạc để giảm điện trở của chúng.

Độ bền về điện của chất điện môi (Eđ.t)

Đặt một chất điện môi vào trong một điện trường, khi tăng cường độ điện trường lên quá một giá trị giới hạn thì chất điện môi đó mất khả năng cách điện dẫn đến hiện tượng đánh thủng chất điện môi. Cường độ điện trường tương ứng với điểm đánh thủng gọi là độ bền về điện của chất điện môi đó (Eđ.t)

Trong đó:

Uđ.t: điện áp đánh thủng chất điện môi

d: độ dày của chất điện môi

Hiện tượng đánh thủng chất điện môi có thể do nhiệt, do điện và do quá trình điện hóa

Dòng điện trong chất điện môi (I)

Dòng điện chuyển dịch IC.M (dòng điện cảm ứng): được tạo ra do quá trình chuyển dịch phân cực của các điện tích liên kết trong chất điện môi xảy ra cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng

Dòng điện rò Irò : được tạo ra do các điện tích tự do và điện tử phát xạ ra chuyển động dưới tác động của điện trường. Nếu dòng rò lớn sẽ làm mất tính chất cách điện của chất điện môi. Dòng điện tổng qua chất điện môi sẽ là: I = ICM + Irò. Sau khi quá trình phân cực kết thúc thì qua chất điện môi chỉ còn dòng điện rò.

Cơ sở của tính dẫn điện của điện môi là:

• Dòng hấp thụ – dòng điện chạy trong chất điện môi ở dòng không đổi cho đến khi đạt đến trạng thái cân bằng, thay đổi hướng khi bật và đặt điện áp vào nó và khi ngắt kết nối. Với dòng điện xoay chiều, cường độ trong chất điện môi sẽ luôn có trong nó trong khi nó ở trong trạng thái hoạt động của điện trường.
• Độ dẫn điện tử – sự chuyển động của các điện tử dưới tác động của trường.
• Độ dẫn ion – là sự chuyển động của các ion. Nằm trong dung dịch điện phân – muối, axit, kiềm, cũng như trong nhiều chất điện môi.
• Độ dẫn mol – sự chuyển động của các hạt tích điện gọi là mol. Nằm trong hệ thống keo, nhũ tương và huyền phù. Hiện tượng chuyển động của con sư tử trong điện trường được gọi là điện di.
• Vật liệu cách điện được phân loại theo trạng thái tổng hợp và tính chất hóa học. Đầu tiên được chia thành rắn, lỏng, khí và rắn. Bởi bản chất hóa học được chia thành các vật liệu hữu cơ, vô cơ và hữu cơ.

Độ dẫn điện của điện môi

Độ dẫn điện của chất khí, các chất khí có độ dẫn hiện tại tương đối thấp. Nó có thể xảy ra với sự có mặt của các hạt tích điện tự do, do tác động của các yếu tố bên ngoài và bên trong, điện tử và ion: bức xạ tia X và các loại phóng xạ, sự va chạm của các phân tử và hạt tích điện, yếu tố nhiệt.

Độ dẫn điện của chất điện môi lỏng, các yếu tố phụ thuộc: cấu trúc phân tử, nhiệt độ, tạp chất, sự hiện diện của điện tích lớn của các electron và ion. Độ dẫn điện của chất điện môi lỏng phần lớn phụ thuộc vào sự có mặt của độ ẩm và tạp chất. Độ dẫn điện của các chất phân cực được tạo ra bằng cách sử dụng chất lỏng với các ion phân ly. Khi so sánh chất lỏng phân cực và không phân cực, trước đây có một lợi thế rõ ràng về độ dẫn. Nếu bạn làm sạch chất lỏng của tạp chất, nó sẽ góp phần làm giảm các thuộc tính đang diễn ra của nó. Với sự gia tăng độ dẫn của một chất lỏng và nhiệt độ của nó, sự giảm độ nhớt của nó xảy ra, dẫn đến sự gia tăng tính di động của các ion.

Chất điện môi rắn. Độ dẫn điện của chúng được gây ra bởi sự chuyển động của các hạt tích điện của chất điện môi và tạp chất. Trong các trường mạnh của dòng điện, tính dẫn điện được phát hiện.

Tính chất vật lý của điện môi

Khi điện trở suất của vật liệu nhỏ hơn 10-5 Ohm m, chúng có thể được quy cho dây dẫn. Nếu nhiều hơn 108 Ohm * m – đến điện môi. Có những trường hợp khi điện trở suất sẽ lớn hơn nhiều lần so với điện trở của dây dẫn. Trong phạm vi 10-5-108 Ohm * m là chất bán dẫn. Vật liệu kim loại là một chất dẫn tuyệt vời của dòng điện.

Trong toàn bộ bảng tuần hoàn, chỉ có 25 nguyên tố thuộc về phi kim và 12 trong số đó có thể thuộc tính của chất bán dẫn. Nhưng, tất nhiên, ngoài các chất của bảng, vẫn còn nhiều hợp kim, chế phẩm hoặc hợp chất hóa học có tính chất của một chất dẫn, chất bán dẫn hoặc chất điện môi. Trên cơ sở này, rất khó để vẽ một khía cạnh nhất định của các giá trị của các chất khác nhau với điện trở của chúng. Ví dụ, ở hệ số nhiệt độ thấp hơn, chất bán dẫn sẽ hoạt động giống như chất điện môi.

Các câu hỏi liên quan đến môi trường điện môi

Sau đây là một số câu hỏi liên quan đến môi trường điện môi dành cho những bạn nào có cùng thắc mắc nhé.

Điện môi cơ bản bao gồm những vật liệu gì ?

Các loại điện môi phổ biến mà chúng ta có thể dễ dàng nhận biết bao gồm: kính, cao su, dầu, nhựa đường, sứ, thạch anh, không khí, kim cương, nước sạch, nhựa,…

Điều gì xảy ra khi một vật liệu điện môi được đặt trong điện trường ?

Chất điện môi, vật liệu cách điện hoặc chất dẫn điện rất kém. Khi điện môi được đặt trong điện trường, thực tế không có dòng điện chạy trong chúng bởi vì, không giống như kim loại, chúng không có các electron liên kết lỏng lẻo hoặc tự do có thể trôi qua vật liệu. Thay vào đó, sự phân cực điện xảy ra.

Phân cực điện của điện môi là gì ?

Phân cực điện môi là thuật ngữ được đưa ra để mô tả hành vi của vật liệu khi điện trường ngoài được áp dụng trên nó. Tâm điện tích dương của các phân tử riêng lẻ được kéo tự động theo cùng hướng với điện trường về phía bản có điện tích âm.

Ảnh hưởng của điện môi đến điện dung là gì ?

Cường độ của điện trường bị giảm do sự hiện diện của điện môi và nếu tổng điện tích trên các bản được giữ không đổi thì sự khác biệt tiềm năng sẽ giảm trên các bản tụ. Theo cách này điện môi làm tăng điện dung của tụ điện.

Điều gì xảy ra khi một chất cách điện được đặt trong điện trường ?

Chất cách điện được gọi là điện môi. Chất điện môi được đặt trong một trường điện tĩnh sẽ làm cho trường yếu hơn. … Dù sao đi nữa, các điện tích dịch chuyển bên trong một lớp điện môi và sự phân tách không gian của các điện tích này gây ra một điện trường cảm ứng bổ sung đối diện với trường sơ cấp và chống lại một phần.

Trên đây là những thông tin liên quan đến chất điện môi do Luật Trẻ Em đã tổng hợp và chia sẻ đến các bạn. Hy vọng rằng với những chia sẻ trên đây sẽ giúp bạn có thêm nhiều thông tin cần thiết liên quan đến chất điện môi bạn nhé!

Đăng bởi: Trường Tiểu học Thủ Lệ

Chuyên mục: Tổng hợp