TRNG I HC VINH KHOA VT L ====***==== ON TH HI THU KHảO SáT Một số tính chất của chất điện môi khi đặt trong điện trờng KHO LUN TT NGHIP I HC CHUYấN NGNH: VT L Lí THUYT 1 VINH – 2011 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA VẬT LÍ ====***==== KH¶O S¸T Mét sè tÝnh chÊt cña chÊt ®iÖn m«i khi ®Æt trong ®iÖn trêng KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÍ LÝ THUYẾT Cán bộ hướng dẫn : TS. CHU VĂN LANH 2 Sinh viên thực hiện: ĐOÀN THỊ HẢI THU Lớp: 48 A- Vật lí VINH - 2011 3 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo, TS. Chu Văn Lanh đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và làm khoá luận này. Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Khoa Vật lý đã nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và rèn luyện tại trường Đại học Vinh. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn các bạn sinh viên trong tập thể 48A khoa Vật lí và gia đình đã động viên và tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Vinh, tháng 4 năm 2011 Sinh viên Đoàn Thị Hải Thu 4 MỤC LỤC Trang Mở đầu .1 Chương I Chất điện môi trong điện trường tĩnh 4 1.1 Sự phân cực và các thông số đặc trưng 4 1.1.1 Hiện tượng phân cực 4 1.1.2 Hệ số phân cực .6 1.1.3 Vectơ phân cực điện môi 6 1.2 Phân cực điện tử .8 1.2.1 Hiện tượng phân cực điện tử 8 1.2.2 Hệ số phân cực điện tử .9 1.2.3 Điện trường bên trong 9 1.2.4 Liên hệ giữa hệ số phân cực điện tử và hằng số điện môi 11 1.3 Phân cực định hướng 12 1.3.1 Hiện tượng phân cực định hướng .12 1.3.2 Hệ số phân cực định hướng 13 1.4 Phân cực phân tử 16 1.4.1 Hiện tượng phân cực phân tử .16 1.4.2 Hệ số phân cực phân tử 16 1.5 Phân cực tự phát .17 1.5.1 Chất sắt điện .17 1.5.2 Hiện tượng phân cực ở chất sắt điện 18 1.6 Hiệu ứng điện trường mạnh 20 1.7 Kết luận chương 21 Chương II Chất điện môi trong điện trường xoay chiều 22 2.1 Khái niệm các thông số đặc trưng 22 2.1.1 Hằng số điện môi phức .22 2.1.2 Hệ số hao tán điện môi .23 2.2 Sự phục hồi phân cực .24 5 2.2.1 Phục hồi điện môi .24 2.2.2 Độ phân cực của chất điện môi trong trường xoay chiều .24 2.3 Ảnh hưởng của điện trường xoay chiều lên hằng số điện môi và hệ số hao tán 27 2.3.1 Sự phụ thuộc vào tần số trong sự phục hồi Debye .27 2.3.2 Giá trị cực đại trong sự phục hồi Debye .28 2.3.3 Biểu đồ mặt phẳng phức đối với sự phục hồi Debye .31 2.3.4 Sự phục hồi Cole-Cole .33 2.3.5 Liên hệ giữa suất dẫn điện và tần số .38 2.4 Kết luận chương .39 Kết luận .40 Tài liệu tham khảo 41 6 MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Từ các thập niên trước nhiều công trình nghiên cứu khoa học đã đi sâu tìm hiểu các tính chất của nhiều vật liệu trong điện trường và thu được các kết quả nền tảng quan trọng, có nhiều ứng dụng thực tiễn, đóng góp to lớn vào sự phát triển của nền khoa học-kĩ thuật ngày nay. Một trong các đối tượng quan trọng của các công trình nghiên cứu này là chất điện môi. Chất điện môi là những chất không dẫn điện. Tuy nhiên, khi đặt trong điện trường ngoài thì cả chất điện môi và điện trường đều có những biến đổi cơ bản. Tính chất của chất điện môi trong điện trường được thể hiện qua các hiện tượng như: sự phân cực, sự giảm của hằng số điện môi,…và các thông số đặc trưng như: hằng số điện môi, vectơ phân cực điện môi, hệ số phân cực, thời gian phục hồi, hệ số hao tán, suất dẫn điện,…Vậy thì, thực chất sự ảnh hưởng của điện trường lên chất điện môi như thế nào, nghiên cứu vấn đề đó cho ta hiểu được những gì và các kiểm chứng thực nghiệm thực có kết quả như thế nào so với các lí thuyết đó. Xuất phát từ những vấn đề đó chúng tôi đã chọn đề tài “Khảo sát một số tính chất của chất điện môi khi đặt trong điện trường” làm đề tài cho khoá luận tốt nghiệp của mình. 2.Mục đích nghiên cứu Với mục đích đi sâu nghiên cứu, làm rõ ảnh hưởng của điện trường một chiều và điện trường xoay chiều lên chất điện môi, từ đó hiểu rõ hơn về các thuộc tính và các tham số đặc trưng của vât liệu điện môi trong thực tiễn. 3.Nhiệm vụ nghiên cứu Để khảo sát một số tính chất của chất điện môi trong điện trường chúng ta sẽ đi vào nghiên cứu ảnh hưởng của điện trường một chiều lên chất điện môi qua việc bàn luận các cơ chế khác nhau mà theo đó chất điện môi bị phân cực trong điện trường tĩnh và nghiên cứu sự giảm của hằng số điện môi khi đặt trong một điện trường mạnh. Cuối cùng chúng ta sẽ đi vào nghiên cứu trạng thái của chất điện môi trong một điện trường xoay chiều qua việc khảo sát các thông số 1 đặc trưng như hằng số điện môi phức, hệ số hao tán, suất dẫn điện của chất điện môi trong một điện trường xoay chiều. 4. Phương pháp nghiên cứu Sử dụng các kiến thức của điện từ học và điện động lực để nghiên cứu các tính chất của chất điện môi khi đặt trong điện trường. 5. Kết quả đạt được Các vấn đề được trình bày trong khoá luận này sẽ giúp cho chúng ta hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của điện trường lên chất điện môi, các tính chất của các chất điện môi sẽ thay đổi khi đặt trong điện trường. Từ đó sẽ định hướng cho việc nghiên cứu chuyên sâu hơn khi đưa vấn đề chất điện môi đặt trong các điện trường mạnh và là bước tiếp cận với một lĩnh vực mới đối với sinh viên đó là quang học phi tuyến. 6. Bố cục khoá luận Khoá luận gồm hai chương Chương I Chất điện môi trong điện trường tĩnh Mục đích của chương này là để bàn luận tóm tắt một số tính chất của chất điện môi khi đặt trong một điện trường tĩnh: sự phân cực, hiệu ứng của điện trường mạnh thông qua khảo sát một số thông số đặc trưng như: vectơ phân cực điện môi, hệ số phân cực, hằng số điện môi. Chương 2 Chất điện môi trong điện trường xoay chiều Trong chương này chúng ta khảo sát trạng thái của một chất điện môi trong một điện trường xoay chiều và bắt đầu thảo luận định nghĩa hằng số điện môi phức và sự hao tổn điện môi. Dưới ảnh hưởng của điện trường xoay chiều, chất điện môi thể hiện các thuộc tính của nó qua sự biến đổi của độ phân cực theo thời gian và sự phụ thuộc của hằng số điện môi phức cũng như hệ số hao tán và suất dẫn điện vào tần số của điện trường xoay chiều Khoá luận được kết thúc bằng phần kết luận nêu tóm tắt những kết quả đạt được và danh mục các tài liệu tham khảo. Mặc dù đã có nhiều cố gắng để khoá luận đạt kết quả tốt nhất, song do trình độ và thời gian còn hạn chế do đó không thể tránh khỏi những thiếu sót. 2 Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy giáo cô giáo và các bạn sinh viên để khoá luận ngày càng hoàn thiện. Sau đây là phần nội dung chính của khoá luận 3 CHƯƠNG I CHẤT ĐIỆN MÔI TRONG MỘT ĐIỆN TRƯỜNG TĨNH 1.1 Sự phân cực và các thông số đặc trưng 1.1.1 Hiện tượng phân cực điện môi Khi đưa một thanh điện môi đồng chất đẳng hướng vào trong điện trường của một vật mang điện thì trên các mặt giới hạn của thanh điện môi sẽ xuất hiện những điện tích trái dấu. Mặt đối diện với vật mang điện của thanh điện môi được tích điện trái dấu với vật mang điện, mặt còn lại được tích điện cùng dấu với vật mang điện. Hình 1.1 Hiện tượng phân cực điện môi Nếu thanh điện môi không đồng chất và đẳng hướng thì trong lòng thanh điện môi cũng xuất hiện điện tích. Hiện tượng xuất hiện điện tích trên thanh điện môi khi đặt trong điện trường được gọi là hiện tượng phân cực điện môi. Trong hiện tượng này, ta không thể tách riêng các điện tích để chỉ còn lại một loại điện tích. Trên thanh điện môi, điện tích xuất hiện ở đâu sẽ định xứ ở đó, không dịch chuyển tự do được và do đó chúng được gọi là các điện tích liên kết. Sự phân cực của chất điện môi có thể được phân loại như sau: • Sự phân cực điện tử (hay sự phân cực quang học). • Sự phân cực định hướng. • Sự phân cực nguyên tử (hay sự phân cực ion). 1.1.2 Hệ số phân cực Để đưa ra khái niệm về hệ số phân cực ta xét một trường hợp đơn giản sau. Giả sử có một quả cầu bán kính R có một điện tích âm phân bố đều và tại 4