Sự phân cực điện môi

§ 5. ĐIỆN MÔI TRONG ĐIỆN TRƯỜNG
Nội dung

1. Sự phân cực của chất điện môi

2. Véc tơ phân cực và điện tích phân cực

3. Điện trường trong điện môi

4. Một số tính chất đặc biệt của điện môi tinh thể.
1. Sự phân cực của chất điện môi
a. Hiện tượng phân cực điện môi
Đặt thanh điện môi vào điện trường thì thanh vẫn trung hoà về điện nhưng hai mặt thanh vuông góc với điện trường có xuất hiện những điện tích trái dấu . Nguyên nhân là do điện môi phân cực trong điện trường. Các điện tích trong thanh điện môi gọi là điện tích phân cực.

b. Cấu trúc tinh thể của chất điện môi
* Phân tử không cực:
- Loại phân tử có phân bố electron đối xứng xung quanh hạt nhân.
Bình thường: tâm của điện tích dương và tâm của hệ điện tích âm trùng nhau mômen điện bằng không.
KL: Các chất điện môi được cấu tạo từ những phân tử không cực gọi là điện môi không cực.
1. Sự phân cực của chất điện môi
* Phân tử có cực:
- Loại phân tử có phân bố electron không đối xứng quanh hạt nhân.
- Bình thường: tâm của điện tích dương và tâm của hệ điện tích âm không trùng nhau, mỗi phân tử là một lưỡng cực điện có:


KL: Các chất điện môi được cấu tạo từ các phân tử có cực gọi là điện môi có cực.
c. Giải thích sự phân cực của chất điện môi
Chưa đặt trong điện trường ngoài:
Tâm điện tích âm và dương trong phân tử trùng nhau. Điện môi trung hoà điện
Khi đặt trong điện trường ngoài:
Các điện tích âm và dương trong nội bộ phân tử dịch chuyển về hai phía ngược nhau làm cho lớp vỏ electron bị biến dạng, tâm điện tích dương và âm cách nhau một khoảng nhỏ, mỗi phân tử trở thành lưỡng cực điện.
* Điện môi không cực
Kết quả
Tuy phân tử vẫn trung hoà về điện nhưng lại có mômen điên khác không: phân tử trở thành lưỡng cực điện. Dưới tác dụng của điện trường ngoài, mô men điện của các phân tử đều hướng theo chiều điện trường. Do đó trên mặt giới hạn điện môi xuất hiện các điện tích liên kết trái dấu.

Chuyển động nhiệt không làm ảnh hưởng đến sự biến dạng của lớp vỏ electron. Sự phân cực điện môi ở đây gây nên do sự chuyển động của electron trong nội bộ phân tử dưới tác dụng của điện trường ngoài.

- Sự phân cực của điện môi không cực còn gọi là phân cực electron.
* Điện môi có cực:
Chưa có điện trường:
Mỗi nguyên tử là một lưỡng cực điện chuyển động và sắp xếp hỗn loạn không có phương ưu tiên do đó tổng mômen điện của phân tử bằng không – toàn bộ khối điện môi chưa tích điện.
Khi đặt trong điện trường ngoài:
Mỗi phân tử chịu tác dụng của ngẫu lực có xu hướng làm nó định hướng song song với điện trường ngoài.
Kết quả
- Phân tử định hướng theo phương ưu tiên là phương của điện trường. Nhờ đó, tổng véc tơ mô men của các phân tử lưỡng cực trong điện môi khác không, và trên mặt giới hạn của điện môi có xuất hiện các điện tích liên kết trái dấu.

Sự định hướng này phụ thuộc vào nhiệt độ và cường độ điện trường: Sự định hướng càng mạnh nếu điện trường càng mạnh và nhiệt độ thấp.

- Quá trình phân cực của điện môi có cực do sự định hướng của các phân tử lưỡng cực quyết định. Sự phân cực này gọi là phân cực định hướng.
* Điện môi tinh thể:
chất điện môi rắn có mạng tinh thể cấu tạo từ những ion (dương, âm).
Toàn bộ tinh thể coi như một “phân tử”khổng lồ gồm mạng ion dương lồng với mạng ion âm.
Dưới tác dụng của điện trường ngoài hai mạng dịch chuyển ngược nhau làm cho mạng tinh thể có mô men điện, tức là điện môi phân cực.
Sự phân cực này còn gọi là phân cực ion
2. Véc tơ phân cực và điện tích phân cực
a. Véc tơ phân cực
- Đ/n: véc tơ phân cực là đại lượng đặc trưng cho mức độ phân cực của điện môi, nó bằng tổng véc tơ mô men điện của các phân tử trong một đơn vị thể tích của khối điện môi:



- Đơn vị ( SI ): C/m2
- Đặc điểm: thay đổi tuỳ theo vị trí trong điện môi. Phân cực đều véc tơ phân cực như nhau tại mội điểm.
- Điện môi đẳng hướng và cường độ điện trường không quá lớn thì:
b. Điện tích phân cực
- Đặt khối điện môi có hai mặt song song với điện trường. Khi đó trên hai mặt của bản có xuất hiện các điện tích phân cực (điện tích liên kết) với mật độ:


Suy ra:



- Điện trường đi vào điện môi (En < 0): điện tích liên kết âm.
- Điện trường đi ra khỏi điện môi (En > 0): điện tích liên kết dương.
3. Điện trường trong điện môi
a. Đặt điện môi trong điện trường ngoài:

b. Trường hợp đơn giản:
Khối điện môi đồng chất lấp đầy hai mặt phẳng song song vô hạn mang điện tích trái dấu và phân bố đều thì:


c. Kết quả cũng đúng cho trường hợp tổng quát

KL: Điện trường trong chất điện môi giảm lần so với cường độ điện trường trong chân không.