HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI LÀ GÌ? - VẬT LÝ - 2025

Các hằng số điện môi là một giá trị gắn liền với tài liệu được đặt giữa các tấm của một tụ điện (hoặc tụ - Hình 1) và cho phép tối ưu hóa và tăng chức năng của nó. (Giancoli, 2006). Chất điện môi đồng nghĩa với chất cách điện, tức là chúng là vật liệu không cho dòng điện đi qua.

Giá trị này quan trọng từ nhiều khía cạnh, vì mọi người đều sử dụng thiết bị điện và điện tử trong nhà, không gian giải trí, giáo dục hoặc trạm làm việc của chúng ta, nhưng chắc chắn chúng ta không biết về các quá trình phức tạp xảy ra trong thiết bị này để hoạt động.

Hình 1: Các loại tụ điện.

Ví dụ: máy tính nhỏ, ti vi và các thiết bị đa phương tiện của chúng ta, sử dụng dòng điện một chiều cho các chức năng của chúng, nhưng dòng điện trong nước và công nghiệp đến nhà và nơi làm việc của chúng ta là dòng điện xoay chiều. Sao có thể như thế được?.

Hình 2: Mạch điện của thiết bị gia dụng

Câu trả lời cho câu hỏi này nằm trong cùng một thiết bị điện và điện tử: tụ điện (hoặc tụ điện). Các thành phần này cho phép, trong số những thứ khác, có thể chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều và chức năng của chúng phụ thuộc vào hình dạng hoặc hình dạng của tụ điện và vật liệu điện môi có trong thiết kế của nó.

Vật liệu điện môi đóng một vai trò quan trọng, vì chúng cho phép các tấm tạo nên tụ điện ở rất gần, không chạm vào nhau và bao phủ hoàn toàn không gian giữa các tấm nói trên bằng vật liệu điện môi để tăng chức năng của tụ điện.

Nguồn gốc của hằng số điện môi: tụ điện và vật liệu điện môi

Giá trị của hằng số này là kết quả thực nghiệm, nghĩa là nó xuất phát từ các thí nghiệm được thực hiện với các loại vật liệu cách điện khác nhau và dẫn đến cùng một hiện tượng: tăng chức năng hoặc hiệu suất của tụ điện.

Tụ điện được liên kết với một đại lượng vật lý gọi là điện dung "C", xác định lượng điện tích "Q" mà tụ điện có thể lưu trữ bằng cách cung cấp một hiệu điện thế nhất định "∆V" (Phương trình 1).

(Phương trình 1)

Thực nghiệm đã kết luận rằng bằng cách phủ hoàn toàn không gian giữa các bản tụ điện bằng vật liệu điện môi, các tụ điện sẽ tăng điện dung của chúng lên một hệ số κ, được gọi là "hằng số điện môi". (Phương trình 2).

(Phương trình 2)

Hình 3 trình bày minh họa về một bản tụ điện phẳng song song điện dung C được tích điện và do đó có điện trường đều hướng xuống giữa các bản của nó.

Ở trên cùng của hình là tụ điện có chân không giữa các bản của nó (chân không - độ cho phép ∊0). Sau đó, ở phía dưới, một tụ điện giống nhau có điện dung C '> C được trình bày, với một chất điện môi giữa các bản của nó (có điện dung ∊).

Hình 3: Tụ điện bản song song không có điện môi và có điện môi.

Figueroa (2005), liệt kê ba chức năng của vật liệu điện môi trong tụ điện:

1. Chúng cho phép một cấu trúc cứng và nhỏ gọn với khoảng cách nhỏ giữa các tấm dẫn điện.
2. Chúng cho phép đặt điện áp cao hơn mà không gây phóng điện (điện trường đánh thủng lớn hơn điện trường trong không khí)
3. Tăng điện dung của tụ điện lên một hệ số κ được gọi là hằng số điện môi của vật liệu.

Do đó, tác giả chỉ ra rằng, κ "được gọi là hằng số điện môi của vật liệu và đo phản ứng của các lưỡng cực phân tử của nó với từ trường bên ngoài". Nghĩa là, hằng số điện môi càng cao thì độ phân cực của phân tử vật liệu càng cao.

Mô hình nguyên tử của chất điện môi

Nói chung, các vật liệu có sự sắp xếp phân tử cụ thể phụ thuộc vào bản thân các phân tử và các yếu tố tạo nên chúng trong mỗi vật liệu. Trong số các cách sắp xếp phân tử can thiệp vào quá trình điện môi là sự sắp xếp của cái gọi là "phân tử phân cực" hoặc phân cực.

Trong các phân tử phân cực, có sự ngăn cách giữa vị trí giữa của các điện tích âm và vị trí giữa của các điện tích dương làm cho chúng có các cực điện.

Ví dụ, phân tử nước (Hình 4) phân cực vĩnh viễn vì tâm của sự phân bố điện tích dương nằm ở giữa các nguyên tử hydro. (Serway và Jewett, 2005).

Hình 4: Sự phân bố của phân tử nước.

Trong khi trong phân tử BeH2 (beri hyđrua - Hình 5), một phân tử mạch thẳng, không có sự phân cực, vì trung tâm phân bố các điện tích dương (hydrogens) nằm ở trung tâm phân bố các điện tích âm (berili) , hủy bỏ bất kỳ sự phân cực nào có thể tồn tại. Đây là một phân tử không phân cực.

Hình 5: Sự phân bố của một phân tử hyđrua beri.

Trong cùng một mạch, khi vật liệu điện môi có điện trường E, các phân tử sẽ sắp xếp theo một hàm của điện trường, gây ra mật độ điện tích bề mặt trên mặt của chất điện môi đối diện với các bản tụ điện.

Do hiện tượng này, điện trường bên trong chất điện môi nhỏ hơn điện trường bên ngoài do tụ điện tạo ra. Hình minh họa sau (Hình 6) cho thấy một chất điện môi phân cực điện trong một tụ điện bản phẳng song song.

Điều quan trọng cần lưu ý là hiện tượng này dễ dẫn đến các vật liệu phân cực hơn so với các vật liệu không phân cực, do sự tồn tại của các phân tử phân cực tương tác hiệu quả hơn khi có điện trường. Mặc dù, sự hiện diện đơn thuần của điện trường gây ra sự phân cực của các phân tử không phân cực, dẫn đến hiện tượng tương tự như với vật liệu phân cực.

Hình 6: Mô hình các phân tử phân cực của chất điện môi do điện trường tạo ra trong tụ điện.

Giá trị hằng số điện môi trong một số vật liệu

Tùy thuộc vào chức năng, tính kinh tế và tiện ích cuối cùng của tụ điện, các vật liệu cách điện khác nhau được sử dụng để tối ưu hóa hiệu suất của chúng.

Các vật liệu như giấy rất rẻ, mặc dù chúng có thể hỏng ở nhiệt độ cao hoặc tiếp xúc với nước. Trong khi cao su, nó vẫn dễ uốn nhưng chịu lực tốt hơn. Chúng tôi cũng có đồ sứ, chịu được nhiệt độ cao mặc dù nó không thể thích ứng với các hình dạng khác nhau khi cần thiết.

Dưới đây là bảng quy định hằng số điện môi của một số vật liệu, trong đó hằng số điện môi không có đơn vị (chúng không có thứ nguyên):

Bảng 1: Hằng số điện môi của một số vật liệu ở nhiệt độ thường.

Một số ứng dụng của vật liệu điện môi

Vật liệu điện môi rất quan trọng trong xã hội toàn cầu với nhiều ứng dụng, từ thông tin liên lạc trên mặt đất và vệ tinh bao gồm phần mềm vô tuyến, GPS, giám sát môi trường qua vệ tinh, v.v. (Sebastian, 2010)

Hơn nữa, Fiedziuszko và những người khác (2002) mô tả tầm quan trọng của vật liệu điện môi đối với sự phát triển của công nghệ không dây, bao gồm cả điện thoại di động. Trong ấn phẩm của mình, họ mô tả sự liên quan của loại vật liệu này trong việc thu nhỏ thiết bị.

Theo trình tự ý tưởng này, hiện đại đã tạo ra nhu cầu lớn về vật liệu có hằng số điện môi cao và thấp cho sự phát triển của đời sống công nghệ. Các tài liệu này là thành phần thiết yếu cho các thiết bị Internet về chức năng lưu trữ dữ liệu, truyền thông và hiệu suất truyền dữ liệu. (Nalwa, 1999).

Người giới thiệu

1. Fiedziuszko, SJ, Hunter, IC, Itoh, T., Kobayashi, Y., Nishikawa, T., Stitzer, SN, & Wakino, K. (2002). Vật liệu điện môi, thiết bị và mạch điện. Giao dịch IEEE về lý thuyết và kỹ thuật vi sóng, 50 (3), 706-720.
2. Figueroa, D. (2001). Tương tác điện. Caracas, Venezuela: Miguel Angel García và Son, SRL.
3. Giancoli, D. (2006). VẬT LÝ. Bắt đầu với các ứng dụng. Mexico: PEARSON EDUCACION.
4. Nalwa, HS (Ed.). (1999). Sổ tay vật liệu hằng số điện môi thấp và cao và ứng dụng của chúng, bộ hai tập. Elsevier.
5. Sebastian, MT (2010). Vật liệu điện môi cho giao tiếp không dây. Elsevier.
6. Serway, R. & Jewett, J. (2005). Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật. Mexico: International Thomson Editores.