Sự phân cực của điện môi

4.1. Sự phân cực của điện môi

1. Hiện tượng phân cực điện môi

Thực nghiệm chứng tỏ rằng, khi đặt một thanh điện môi trong điện trường ngoài thì trên các mặt giới hạn của thanh điện môi sẽ xuất hiện các điện tích trái dấu. Mặt đối diện với hướng đường sức điện trường ngoài sẽ xuất hiện các điện tích âm, mặt bên kia sẽ xuất hiện các điện tích dương (hình 11.1). Nếu thanh điện môi không đồng chất và đẳng hướng thì ngay cả trong lòng thanh điện môi cũng xuất hiện các điện tích.

Hiện tượng xuất hiện các điện tích trên thanh điện môi khi nó đặt trong điện trường ngoài được gọi là hiện tượng phân cực điện môi. Khác với hiện tượng điện hưởng ở vật dẫn kim loại, các điện tích xuất hiện ở chỗ nào trên bề mặt thanh điện môi sẽ định xứ ở đó, không di chuyển được. Ta gọi đó là các điện tích liên kết.

Các điện tích liên kết sẽ gây ra trong lòng thanh điện môi một điện trường phụ \( \overrightarrow{E’} \) làm cho điện trường ban đầu \( {{\overrightarrow{E}}_{0}} \) trong thanh điện môi thay đổi. Điện trường tổng hợp trong điện môi khi điện môi bị phân cực là:

\( \overrightarrow{E}={{\overrightarrow{E}}_{0}}+\overrightarrow{E’} \) (11.1)

Nhận Dạy Kèm Vật Lý Đại Cương Online qua ứng dụng Zoom, Google Meet,...

Dạy kèm tương tác 1 thầy 1 trò! Hỗ trợ trực tuyến 24/7
Dạy kèm Vật Lý Đại Cương (Cơ - Nhiệt - Điện Từ - Quang - VLNT-HN)
Bồi dưỡng HSG Vật lý các cấp, luyện thi vào lớp 10 Chuyên, ôn thi ĐH-CĐ
Sách Giải Bài Tập Vật Lý Đại Cương - Vật Lý Kỹ Thuật - Vật Lý Lý Thuyết
Lịch học sắp xếp linh động, sáng - chiều - tối đều học được!
Thời gian học từ 1,5h - 2h/1 buổi!

2. Giải thích hiện tượng phân cực điện môi

Ta biết, trong mỗi nguyên tử, các electron luôn chuyển động quanh hạt nhân với vận tốc rất lớn. Tuy nhiên khi xét tương tác giữa các electron của nguyên tử, phân tử với điện tích hay điện trường bên ngoài ở những khoảng cách khá lớn so với kích thước phân tử, một cách gần đúng, ta có thể coi tác dụng của các electron tương đương với tác dụng của một điện tích tổng cộng -q đứng yên tại một vị trí trung bình nào đó trong phân tử, gọi là tâm của các điện tích âm. Một cách tương tự, ta coi tác dụng của hạt nhân tương đương với điện tích dương +q đặt tại tâm của các điện tích dương.

Tùy theo phân bố các electron quanh hạt nhân mà tâm của các điện tích âm và tâm của các điện tích dương có thể lệch nhau hoặc trùng nhau. Trường hợp thứ nhất, mỗi phân tử chất điện môi đã là một lưỡng cực điện. Trường hợp thứ hai, phân tử chất điện môi không tự phần thành lưỡng cực điện, nhưng khi đặt phân tử trong điện trường ngoài thì tác dụng của điện trường ngoài luôn làm tâm của các điện tích dương và tâm của cách điện tích âm lệch xa nhau và bản thân phân tử trở thành lưỡng cực điện có momen điện \( {{\vec{p}}_{e}} \) khác không.

Dưới tác dụng của điện trường ngoài, các momen điện \( {{\vec{p}}_{e}} \) của các phân tử chất điện môi sẽ xoay và định hướng theo đường sức điện trường ngoài một cách trật tự (hình 11.2). Kết quả trong lòng khối điện môi các điện tích trái dấu của các lưỡng cực phân tử vẫn trung hòa nhau, còn ở hai mặt giới hạn xuất hiện các điện tích trái dấu. Các điện tích này chính là tập hợp các điện tích của các lưỡng cực phân tử trên các bề mặt giới hạn, chúng không phải là các điện tích tự do mà là các điện tích liên kết.

Điện trường ngoài cang mạnh, sự phân cực điện môi càng rõ rệt. Khi không có điện trường ngoài, các momen điện của các lưỡng cực phân tử sắp xếp một cách hỗn loạn hoặc triệt tiêu (đối với loại có tâm của các điện tích dương và âm trùng nhau). Kết quả các điện tích liên kết biến mất, khối điện môi không bị phân cực.

3. Vectơ phân cực điện môi

Để đặc trưng cho mức độ phân cực của điện môi, người ta dùng đại lượng vật lý là vectơ phân cực điện môi \( {{\overrightarrow{P}}_{e}} \), được định nghĩa như sau: Vectơ phân cực điện môi là một đại lượng đo bằng tổng các momen điện của các phân tử có trong một đơn vị thể tích của khối điện môi.

\( {{\overrightarrow{P}}_{e}}=\frac{\sum\limits_{i=1}^{n}{{{{\vec{p}}}_{ei}}}}{\Delta V} \) (11.2)

Với định nghĩa trên, vectơ phân cực điện môi là một đại lượng vĩ mô, được coi như một momen lưỡng cực điện ứng với một đơn vị thể tích của chất điện môi. Đơn vị đo của vectơ phân cực điện môi là C/m² (trùng với đồng vị đo mật độ điện tích mặt).

Nếu mọi phân tử đều bị phân cực và momen điện của các phân tử đều bằng nhau và định hướng song song thì vectơ phân cực: \( {{\overrightarrow{P}}_{e}}={{n}_{0}}{{\vec{p}}_{e}} \) (11.3), trong đó n₀ là mật độ phân tử.

4. Liên hệ giữa vectơ phân cực điện môi \({{\overrightarrow{P}}_{e}} \) và mật độ điện tích liên kết \({\sigma}' \)

Xét khối chất điện môi đồng chất, đẳng hướng, có dạng một tấm phẳng và được đặt trong điện trường đều \( {{\overrightarrow{E}}_{0}} \) (hình 11.3). Gọi mật độ điện tích liên kết trên hai mặt của tâm điện môi là \({\sigma}’ \). Xét một hình trụ đủ nhỏ, có đường sinh \( \ell \) song song với vectơ cường độ điện trường ngoài, có hai đáy \( \Delta S \) nằm trên hai mặt của tấm điện môi. Khi đó, hình trụ này có thể coi như một lưỡng cực điện có momen điện \( \vec{p}=\sum\limits_{i=1}^{N}{{{{\vec{p}}}_{ei}}}=q\overrightarrow{\ell } \), trong đó \( q={\sigma}’\Delta S \) là điện tích mặt xuất hiện trên diện tích đáy \( \Delta S \) của hình trụ và \( \overrightarrow{\ell } \) là vectơ vẽ từ đáy hình trụ có điện tích âm đến đáy có điện tích dương. Gọi \( V=\Delta S.\ell .\cos \alpha \) là thể tích của hình trụ thì ta có vectơ phân cực của khối điện môi nằm trong hình trụ là:

\( {{\overrightarrow{P}}_{e}}=\frac{\sum\limits_{i=1}^{N}{{{{\vec{p}}}_{ei}}}}{V}=\frac{{\vec{p}}}{V}=\frac{{\sigma}’.\Delta S.\overrightarrow{\ell }}{\Delta S.\ell .\cos \alpha } \)

Suy ra:\(\left| {{\overrightarrow{P}}_{e}} \right|=\frac{{\sigma}’}{\cos \alpha }\) hay \({\sigma}’={{P}_{e}}\cos \alpha ={{P}_{en}}\) (11.4)

Vậy, mật độ điện tích liên kết \({\sigma}’ \) xuất hiện trên mặt giới hạn của khối điện môi có giá trị bằng hình chiếu của vectơ phân cực lên pháp tuyến của mặt giới hạn đó.

Các bài viết cùng chủ đề!