Chất điện môi là gì?
Chất điện môi là một loại chất dẫn điện kém, được sử dụng để cách điện giữa hai chất dẫn điện khác nhau hoặc giữa một dẫn điện và môi trường xung quanh. Chất điện môi thường có tính chất cách điện tốt và không dẫn điện, nhờ đó chúng có thể ngăn cản sự truyền dẫn điện giữa các dẫn điện khác nhau. Đặc biệt chất điện môi còn có điện trở suất cao (107 ÷ 1017Ω.m) trong điều kiện nhiệt độ bình thường. Trong một số trường hợp khi điện trường vượt quá 1 giá trị giới hạn thì điện môi bị đánh thủng. Mỗi điện môi khác nhau sẽ có 1 điện trường giới hạn khác nhau là hằng số môi ε phụ thuộc vào tính chất điện môi. Hằng số điện môi của chân không = 1
Các chất điện môi thông dụng bao gồm các hợp chất hữu cơ như dầu, chất lỏng silicone, dung môi hữu cơ, cũng như các chất khoáng như axit boric và oxit nhôm. Chất điện môi được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điện tử, viễn thông, sản xuất và điều khiển điện, trong các hệ thống truyền tải điện, máy biến áp, máy điện, và nhiều ứng dụng khác.
Chất điện môi thụ động là gì?
Chất điện môi thụ động là vật liệu cách điện 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 được biết đến là vật liệu có hằng số điện môi được điều khiển bằng các thông số sau:
- Điện trường ( gốm, thuỷ tinh,..)
- Cơ học (vật liệu áp điện như thạch anh)
- Ánh sáng ( huỳnh quang)
Các tính chất của chất điện môi:
Điện môi có nhiều tính chất đặc trưng khác nhau mà các vật liệu khác không có được. Cụ thể:
- Độ thẩm thấu của chất điện tương đối (hằng số chất điện môi–ε)
- Khả năng tổn hao điện môi (Pa)
- Có độ bền về điện tồn tại trong chất điện môi (Eđ.t)
- Có khả năng chịu đựng nhiệt độ
- Dòng điện xuất hiện đi qua chất điện môi (I)
- Là một dạng điện trở cách điện của chất điện môi
Hằng số điện môi là gì?
Hằng số điện môi là lực tương tác giữa các vật liệu mang điện phụ thuộc vào môi trường xung quanh. Một thí nghiệm đã chứng minh tại một khoảng cách nhất định, lực Coulomb xuất hiện giữa 2 điện tích đặt trong môi đồng chất nhỏ hơn lực tác dụng giữa chúng trong chân không ε lần. Hằng số này phụ thuộc vào tính chất của điện môi mà không phụ thuộc vào độ lớn và khoảng cách các điện tích. Vì thế chúng được gọi là hằng số điện môi đặc trưng cho tính chất điện của môi trường làm việc đó. Đây là 2 đại lượng không có thứ nguyên tức là một số thuần túy không có đơn vị cụ thể. Hằng số điện môi còn được gọi đầy đủ là độ điện thẩm tương đối và được thể hiện bằng công thức.
Trong đó các thông số ký hiệu là:
- Cd: điện dung sử dụng chất điện môi
- C0: điện dung của tụ điện sử dụng chất điện môi
Độ tổn hao điện môi (Pa) là gì?
Độ hao tổn điện môi là công suất điện tổn hao sử dụng làm nóng các chất điện môi khi đặt vật liệu trong một môi trường cụ thể và được xác định thông qua dòng điện rò rỉ.
Pa = U2ωCtgδ
Cụ thể:
- U là điện áp xác định trên tụ điện (V)
- C là điện dung của tụ điện trong chất điện môi (F)
- ω là tần số góc của vật liệu hoạt động (rad/s)
- tgδ là góc tổn hao chất điện môi
Trường hợp hao điện môi trong tụ điện ở mức cơ bản là do điện trở của các bản cực, dây dẫn và tiếp giáp
Pa = U2ω2C2R
Chính vì thế các tụ điện thường làm việc trong điều kiện tần số cao thì yêu cầu bắt buộc cần phải có bản cực ở giữa dây dẫn và tiếp giáp nhằm giảm điện trở của chúng xuống.
Độ bền về điện của chất điện môi (Eđ.t)
Cho một chất điện môi vào môi trường điện trường. Khi tăng cường độ điện trường lên quá một giá trị giới hạn thì chất điện môi mất đi 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 khi sử dụng (Eđ.t)
Cụ thể:
- Uđ.t: điện áp có khả năng đánh thủng chất điện môi
- d: độ dày của vật liệu điện môi
Dòng điện trong chất điện môi (I)
Dòng điện trong chất điện môi (I) có thể được chia thành hai thành phần chính là dòng điện chuyển dịch IC.M (hay còn gọi là dòng điện cảm ứng) và dòng điện rò (Irò).
Dòng điện chuyển dịch IC.M: Được tạo ra do quá trình chuyển dịch phân cực của các điện tích liên kết trong chất điện môi. Trong quá trình này, các điện tích liên kết sẽ di chuyển dọc theo chiều của trường điện, tạo ra một dòng điện trong chất điện môi. Điện tích liên kết di chuyển này sẽ tiếp tục cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng.
Dòng điện rò: 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.
Tổng dòng điện qua chất điện môi sẽ là tổng hợp của dòng điện chuyển dịch và dòng điện rò, I = ICM + Irò. Sau khi quá trình phân cực kết thúc, thì chỉ còn dòng điện rò trong chất điện môi.
Cơ sở của tính dẫn điện của điện môi là các hiện tượng vật lý và hóa học trong chất điện môi khi chúng bị đặt trong điện trường. Các yếu tố cơ bản bao gồm:
- Độ dẫn điện tử: Điện trường gây ra chuyển động của các điện tử trong chất điện môi, tạo ra dòng điện. Độ dẫn điện tử cao có nghĩa là chất điện môi có khả năng tốt để dẫn điện.
- Độ dẫn ion: Điện trường cũng có thể gây ra chuyển động của các ion trong chất điện môi, tạo ra dòng điện. Độ dẫn ion cũng ảnh hưởng đến khả năng dẫn điện của chất điện môi.
- Độ dẫn mol: Trong một số chất điện môi, các hạt điện tích lớn được gọi là mol cũng có thể chuyển động, tạo ra dòng điện. Độ dẫn mol cũng đóng vai trò trong tính dẫn điện của chất điện môi.
- Vật liệu cách điện: Các vật liệu được phân loại theo trạng thái và tính chất hóa học, bao gồm các vật liệu rắn, lỏng, khí, hữu cơ và vô cơ. Vật liệu cách điện được sử dụng để cô lập các vật liệu dẫn điện và ngăn ngừa dòng điện chạy qua chúng.
Những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong tính dẫn điện của chất điện môi, và cũng giúp chúng ta hiểu được tại sao một số vật liệu có khả năng dẫn điện tốt hơn những vật liệu khác.
Độ dẫn điện của điện môi
Độ dẫn điện của chất rắn: Các chất rắn phân tử thông thường có độ dẫn điện thấp hơn so với các chất rắn ion. Độ dẫn điện của chất rắn phụ thuộc vào cấu trúc của chất và số lượng các điện tử tự do có sẵn trong đó. Nhiệt độ cũng có thể ảnh hưởng đến độ dẫn điện của chất điện môi rắn. Với sự gia tăng nhiệt độ, các hạt tích điện trong chất rắn sẽ có năng lượng cinétic cao hơn, dẫn đến sự gia tăng độ dẫn điện.
Độ dẫn điện của chất khí: Các chất khí có độ dẫn hiện tại tương đối thấp. Độ dẫn điện của chất khí 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 lỏng: Độ dẫn điện của chất điện môi lỏng phần lớn phụ thuộc vào sự có mặt của độ ẩm và tạp chất. Các yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến độ dẫn điện của chất lỏng, bao gồm cấu trúc phân tử, nhiệt độ, tạp chất, sự hiện diện của điện tích lớn của các electron và ion. 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.
Tính chất vật lý của điện môi
Các chất bán dẫn có khả năng dẫn điện trung bình giữa các chất dẫn và cách điện. Chúng có điện trở từ khoảng 10-5 đến 108 Ohm*m. Các chất bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử như vi mạch và điện tử công suất.
Trong khi chỉ có 25 nguyên tố thuộc về phi kim trên bảng tuần hoàn, nhưng vẫn có nhiều hợp kim và hợp chất hóa học có tính chất của một chất dẫn, bán dẫn hoặc điện cách điện. Tính chất điện trở của chúng phụ thuộc vào cấu trúc và tính chất vật lý của vật liệu và có thể phức tạp và đa dạng.
Các câu hỏi liên quan đến môi trường điện môi
Điện môi cơ bản bao gồm những vật liệu gì ?
Một số chất điện môi cơ bản bao gồm các vật liệu quen thuộc quanh chúng ta như kính, cao su, dầu, nhựa đường, sứ, thạch anh, không khí, kim cương và nước sạch…
Điều gì xảy ra khi một vật liệu điện môi được đặt trong điện trường ?
Chất điện môi, vật liệu cách điện hay các chất bán dẫn điện kém, khi điện môi được đặt trong điện trường, thực tế không có nhiều dòng điện đi qua chúng được. Bởi không giống như kim loại có electron hoạt động hoặc tự do có thể trôi qua vật liệu vận hành. Thay vào đó có sự phân cực dòng điện xuất hiện.
Phân cực điện của điện môi là gì?
Phân cực điện môi là một thuật ngữ được diễn tả mô phỏng hành vi của vật liệu khi điện trường ngoài được áp dụng trên nó. Tâm điện tích dương của phân tử riêng lẻ được kéo tự động hoàn toàn cùng hướng với điện trường về phía cơ bản có thêm điện tích âm.
Ảnh hưởng của điện môi đến điện dung là gì ?
Cường độ của điện trường bị giảm sút do nguyên nhân chính là có sự xuất hiện của điện môi. Nếu tổng diện tích trên các bản điện được giữ nguyên thì sự khác biệt tiềm năng sẽ giảm nhanh chóng trên các bản tụ. Theo cách làm này thì điện môi làm tăng điện dung của tụ điện thêm.
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 môi trường điện tĩnh sẽ làm cho trường yếu hơn. Dù sao đi nữa các điện tích dịch chuyển trong lớp điện môi và sự phân tách không gian và các điện tích này gây ra một điện trường cảm ứng bổ sung đối diện với trường sơ cấp và chống lại một phần.
Lời kết
Trên đây là các thông tin chi tiết và các kiến thức cơ bản về chất điện môi là gì, mong rằng thông tin trong bài viết sẽ cần thiết cho những bạn đang cần tìm hiểu. Vì là kiến thức cá nhân nên bài viết chỉ có tính chất tham khảo thông tin. Hãy theo dõi Tuấn Hưng Phát để biết thêm nhiều thông tin hơn nữa nhé.
