Vật liệu được phân loại là chất dẫn điện, chất cách điện và chất bán dẫn dựa trên tính chất dẫn điện của chúng. Mọi vật chất đều được tạo thành từ các phân tử mà lần lượt được tạo thành từ các nguyên tử. Khi chịu tác dụng của điện trường, các nguyên tử trong vật liệu này trải qua những chuyển dịch và thay đổi tính chất nhất định. Vào tháng 10 năm 1745, một thí nghiệm được thực hiện bởi Ewald Georg von Kleist người Đức bằng cách kết nối một máy phát tĩnh điện cao áp với một khối lượng nước được thu thập trong một cái bình cầm tay bằng một sợi dây cho thấy rằng có thể tích trữ được điện tích. Sử dụng hiện tượng này, Pieter van Musschenbroek đã phát minh ra tụ điện đầu tiên có tên là “Leyden Jar”. Thuộc tính vật liệu mới hỗ trợ phát minh này là 'Điện môi'.

Điện môi là gì?

Mọi vật chất đều được tạo thành từ các nguyên tử. Nguyên tử chứa cả hạt mang điện âm và hạt mang điện dương. Hạt nhân trung tâm của nguyên tử mang điện tích dương. Trong bất kỳ vật liệu nào, các nguyên tử được sắp xếp như lưỡng cực được biểu diễn bằng một điện tích âm và dương ở đầu của nó. Khi các vật liệu này chịu mômen lưỡng cực điện trường diễn ra.

Vật liệu dẫn điện bắt đầu dẫn điện khi có dòng điện đặt vào. Chất cách điện chống lại dòng điện vì nó không có bất kỳ electron chuyển động tự do nào trong cấu trúc của nó. Nhưng Điện môi là một loại chất cách điện đặc biệt, không dẫn điện nhưng bị phân cực khi chịu dòng điện.

Phân cực-trong-điện môi

Trong vật liệu điện môi, khi chịu tác dụng của điện trường, các điện tích dương có trong vật liệu bị dịch chuyển theo hướng của điện trường. Các điện tích âm dịch chuyển theo hướng ngược chiều điện trường đặt vào. Điều này dẫn đến phân cực điện môi. Trong vật liệu điện môi, các điện tích không chạy qua vật liệu. Sự phân cực làm giảm trường tổng thể của chất điện môi.

Tính chất của điện môi

Thuật ngữ Điện môi lần đầu tiên được giới thiệu bởi William Whewell. Nó là sự kết hợp của hai từ- ‘Dia’ và ‘điện’. Độ dẫn điện của chất điện môi hoàn hảo bằng không. Một chất điện môi lưu trữ và tiêu tán năng lượng điện tương tự như một tụ điện lý tưởng. Một số đặc tính chính của vật liệu điện môi là Tính nhạy cảm với điện, Phân cực điện môi, Phân tán điện môi, Giãn điện môi, Khả năng điều chỉnh, v.v.

Tính nhạy cảm với điện

Vật liệu điện môi có thể bị phân cực dễ dàng như thế nào khi chịu một điện trường được đo bằng độ cảm điện. Đại lượng này cũng quyết định tính từ thẩm của vật liệu.

Phân cực điện môi

Mômen lưỡng cực điện là đơn vị đo sự phân tách điện tích âm và điện tích dương trong hệ. Mối quan hệ giữa mômen lưỡng cực (M) và điện trường (E) làm phát sinh các đặc tính của chất điện môi. Khi điện trường tác dụng bị loại bỏ nguyên tử trở về trạng thái ban đầu. Điều này xảy ra theo cách phân rã theo cấp số nhân. Thời gian nguyên tử đạt được trạng thái ban đầu được gọi là thời gian thư giãn.

Tổng phân cực

Có hai yếu tố quyết định sự phân cực của chất điện môi. Chúng là sự hình thành mômen lưỡng cực và định hướng của chúng so với điện trường. Dựa trên loại lưỡng cực cơ bản có thể có phân cực điện tử hoặc phân cực ion. Phân cực điện tử P_Làxảy ra khi các phân tử điện môi tạo thành mômen lưỡng cực được cấu tạo bởi các hạt trung hòa.

Phân cực ion P_Tôivà phân cực điện tử cả hai đều không phụ thuộc vào nhiệt độ. Mômen lưỡng cực vĩnh viễn được tạo ra trong phân tử khi có sự phân bố điện tích không đối xứng giữa các nguyên tử khác nhau. Trong những trường hợp này, phân cực định hướng P_{hoặc là}được quan sát. Nếu một điện tích tự do tồn tại trong vật liệu điện môi, nó sẽ dẫn đến sự phân cực điện tích không gian P_S. Sự phân cực tổng của chất điện môi liên quan đến tất cả các cơ chế này. Do đó, tổng độ phân cực của vật liệu điện môi là

P_{Toàn bộ}= P_Tôi+ P_Là+ P_{hoặc là}+ P_S

Phân tán điện môi

Khi P là độ phân cực lớn nhất mà chất điện môi đạt được thì t_rlà thời gian thư giãn cho một quá trình phân cực cụ thể, quá trình phân cực điện môi có thể được biểu thị bằng

“đèn huỳnh quang hoạt động như thế nào ”

P (t) = P [1-exp (-t / t_r)]

Thời gian thư giãn khác nhau đối với các quá trình phân cực khác nhau. Sự phân cực điện tử diễn ra rất nhanh sau đó là sự phân cực ion. Sự phân cực định hướng chậm hơn sự phân cực ion. Sự phân cực điện tích không gian rất chậm.

Sự cố điện môi

Khi điện trường cao hơn được áp dụng, chất cách điện bắt đầu dẫn điện và hoạt động như một chất dẫn điện. Trong điều kiện đó, vật liệu điện môi mất đi tính chất điện môi của chúng. Hiện tượng này được gọi là Sự phá vỡ điện môi. Đó là một quá trình không thể đảo ngược. Điều này dẫn đến sự hỏng hóc của vật liệu điện môi.

Các loại vật liệu điện môi

Các chất điện môi được phân loại dựa trên loại phân tử có trong vật liệu. Có hai loại điện môi - Điện cực phân cực và Điện môi không phân cực.

Polar Dielectrics

Trong chất điện cực, tâm khối của các hạt dương không trùng với tâm khối của các hạt âm. Ở đây tồn tại momen lưỡng cực. Các phân tử có hình dạng không đối xứng. Khi có điện trường các phân tử tự sắp xếp theo chiều điện trường. Khi điện trường bị loại bỏ, mômen lưỡng cực ngẫu nhiên được quan sát và mômen lưỡng cực thuần trong phân tử trở thành không. Ví dụ như H2O, CO2, v.v.…

Các điện tử không phân cực

Trong chất điện môi không phân cực, tâm khối của các hạt dương và các hạt âm trùng nhau. Không có mômen lưỡng cực trong các phân tử này. Các phân tử này có hình dạng đối xứng. Ví dụ về các chất điện môi không phân cực là H2, N2, O2, v.v.

Ví dụ về vật liệu điện môi

Vật liệu điện môi có thể là chất rắn, chất lỏng, chất khí và chân không. Chất điện môi rắn được sử dụng nhiều trong kỹ thuật điện. Một số ví dụ về chất điện môi được bán là sứ, gốm sứ, thủy tinh, giấy, v.v.… Không khí khô, nitơ, lưu huỳnh hexafluoride và các oxit của các kim loại khác nhau là những ví dụ về chất điện môi ở dạng khí. Nước cất, dầu biến áp là những ví dụ phổ biến của chất điện môi lỏng.

Các ứng dụng của vật liệu điện môi

Một số ứng dụng của chất điện môi như sau:

Chúng được sử dụng để lưu trữ năng lượng trong tụ điện .
Để nâng cao hiệu suất của thiết bị bán dẫn, vật liệu điện môi có độ cho phép cao được sử dụng.
Dielectrics được sử dụng trong Màn hình tinh thể lỏng.
Chất điện môi gốm được sử dụng trong Dao động cộng hưởng điện môi.
Màng mỏng Bari Strontium Titanate là chất điện môi được sử dụng trong các thiết bị điều chỉnh được bằng vi sóng, cung cấp khả năng điều chỉnh cao và dòng rò rỉ thấp.
Parylene được sử dụng trong sơn phủ công nghiệp đóng vai trò như một lớp ngăn cách giữa lớp nền và môi trường bên ngoài.
Trong điện máy biến áp , dầu khoáng được sử dụng như một chất điện môi lỏng và chúng hỗ trợ trong quá trình làm mát.
Dầu thầu dầu được sử dụng trong các tụ điện cao áp để tăng giá trị điện dung của nó.
Electret, một vật liệu điện môi được xử lý đặc biệt hoạt động như tĩnh điện tương đương với nam châm.

Câu hỏi thường gặp

1). Công dụng của chất điện môi trong tụ điện là gì?

Chất điện môi được sử dụng trong tụ điện giúp giảm điện trường, do đó làm giảm điện áp, do đó làm tăng điện dung.

2). Chất điện môi nào được sử dụng rộng rãi trong tụ điện?

Trong tụ điện, các vật liệu điện môi như thủy tinh, gốm, không khí, mica, giấy, màng nhựa được sử dụng rộng rãi.

3). Vật liệu nào có độ bền điện môi cao nhất?

Chân không hoàn hảo được ghi nhận là có độ bền điện môi cao nhất.

4). Có phải tất cả chất cách điện đều là chất điện môi không?

Không, mặc dù các chất điện môi hoạt động như chất cách điện, nhưng không phải tất cả chất cách điện đều là chất điện môi.

Do đó, Dielectrics là một phần quan trọng của tụ điện. Một vật liệu điện môi tốt phải có hằng số điện môi tốt, độ bền điện môi, hệ số suy hao thấp, ổn định ở nhiệt độ cao, độ ổn định lưu trữ cao, đáp ứng tần số tốt và có thể sửa đổi cho các quy trình công nghiệp. Điện môi cũng đóng một vai trò quan trọng trong các mạch điện tử tần số cao. Phép đo tính chất điện môi của vật liệu cung cấp thông tin về đặc tính điện hoặc từ của nó. Hằng số điện môi là gì?