Chất cách điện: Định nghĩa, Tính chất và Ứng dụng
Chất điện môi được định nghĩa là vật liệu cách điện có thể bị phân cực bởi một điện trường được áp dụng. Điều này có nghĩa là khi chất điện môi được đặt trong một điện trường, nó không cho phép các điện tích chảy qua nó, thay vào đó, nó căn chỉnh các dipô điện nội bộ (cặp điện tích đối lập) theo hướng của điện trường. Việc căn chỉnh này giảm điện trường tổng thể bên trong chất điện môi và tăng điện dung của tụ điện sử dụng nó.
Chất điện môi hoạt động như thế nào?
Để hiểu cách chất điện môi hoạt động, chúng ta cần biết một số khái niệm cơ bản về điện từ.
Điện trường là một vùng không gian nơi một điện tích trải qua một lực. Hướng của điện trường là hướng của lực tác dụng lên điện tích dương, và độ lớn của điện trường tỷ lệ thuận với cường độ của lực. Điện trường được tạo ra bởi các điện tích hoặc các trường từ thay đổi.
Polar hóa điện
Polar hóa điện là sự tách biệt giữa các điện tích dương và âm trong một vật liệu do ảnh hưởng của một điện trường ngoại vi. Khi một vật liệu bị polar hóa, nó phát triển một moment dipô điện, đây là một thước đo về mức độ tách biệt và căn chỉnh của các điện tích. Moment dipô điện của một vật liệu tỷ lệ thuận với độ nhạy cảm điện của nó, đây là một thước đo về mức độ dễ dàng mà nó có thể bị polar hóa.
Điện dung
Điện dung là khả năng của hệ thống để lưu trữ điện tích. Tụ điện là thiết bị bao gồm hai dẫn điện (bảng) được tách bằng một vật liệu cách điện (điện môi). Khi một điện áp được áp dụng trên các bảng, một điện trường được tạo ra giữa chúng, và các điện tích tích tụ trên mỗi bảng. Điện dung của tụ điện tỷ lệ thuận với diện tích của các bảng, nghịch đảo với khoảng cách giữa chúng, và tỷ lệ thuận với hằng số điện môi của vật liệu cách điện.
Tính chất của chất điện môi
Một số tính chất quan trọng của chất điện môi là:
Hằng số điện môi: Đây là một đại lượng vô chiều chỉ ra mức độ mà một vật liệu tăng điện dung của tụ điện so với chân không. Nó còn được gọi là độ thẩm thấu điện tương đối hoặc tỷ lệ độ thẩm thấu. Hằng số điện môi của chân không là 1, và hằng số điện môi của không khí là khoảng 1,0006. Các vật liệu có hằng số điện môi cao bao gồm nước (khoảng 80), titanate barium (khoảng 1200), và titanate strontium (khoảng 2000).
Độ bền điện môi: Đây là điện trường tối đa mà một vật liệu có thể chịu đựng mà không bị phá vỡ hoặc trở thành dẫn điện. Nó được đo bằng volt trên mét (V/m) hoặc kilovolt trên milimét (kV/mm). Độ bền điện môi của không khí là khoảng 3 MV/m, và độ bền điện môi của thủy tinh là khoảng 10 MV/m.
Sự mất mát điện môi: Đây là lượng năng lượng bị tiêu tán dưới dạng nhiệt khi một điện trường xoay chiều được áp dụng cho một vật liệu. Nó được đo bằng tang tan hoặc hệ số tiêu tán, là tỷ lệ giữa phần ảo và phần thực của độ thẩm thấu điện phức. Sự mất mát điện môi phụ thuộc vào tần số và nhiệt độ của điện trường, cũng như cấu trúc và độ tinh khiết của vật liệu. Các vật liệu có sự mất mát điện môi thấp là mong muốn cho các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao và ít nóng.
Các loại và ví dụ về chất điện môi
Chất điện môi có thể được phân loại thành các loại khác nhau dựa trên cấu trúc phân tử và cơ chế polar hóa. Một số loại phổ biến và ví dụ là:
Chân không: Đây là sự vắng mặt của vật chất và do đó không có polar hóa. Nó có hằng số điện môi là 1 và không có sự mất mát điện môi.
Khí: Những chất này được tạo thành từ nguyên tử hoặc phân tử mà được liên kết lỏng lẻo và có thể di chuyển tự do. Chúng có hằng số điện môi thấp (gần 1) và mất mát điện môi thấp. Ví dụ bao gồm không khí, nitơ, heli, và hexafluoride sulfur.
Chất lỏng: Những chất này được tạo thành từ phân tử mà được liên kết chặt chẽ hơn so với khí nhưng vẫn có thể di chuyển xung quanh. Chúng có hằng số điện môi cao hơn so với khí (từ 2 đến 80) và mất mát điện môi cao hơn. Ví dụ bao gồm nước, biến áp dầu, etanol, và glycerol.
Chất rắn: Những chất này được tạo thành từ nguyên tử hoặc phân tử mà được liên kết mạnh mẽ ở vị trí cố định. Chúng có hằng số điện môi cao hơn so với chất lỏng (từ 3 đến 2000) và mất mát điện môi cao hơn. Ví dụ bao gồm thủy tinh, gốm, nhựa, cao su, giấy, mica, và thạch anh.
Ứng dụng của chất điện môi
Chất điện môi có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật khác nhau. Một số ví dụ là:
Tụ điện: Đây là các thiết bị lưu trữ điện tích và năng lượng bằng cách sử dụng chất điện môi giữa hai dẫn điện. Tụ điện được sử dụng để lọc, làm phẳng, thời gian, ghép nối, tách rời, điều chỉnh, cảm biến, và chuyển đổi điện năng trong các mạch điện tử.
Cách điện: Đây là các vật liệu ngăn chặn dòng điện chảy qua chúng bằng cách sử dụng độ kháng cao và độ bền điện môi cao. Cách điện được sử dụng để bảo vệ, cách ly, hỗ trợ, và tách rời các thành phần và dây điện.
Bộ chuyển đổi: Đây là các thiết bị chuyển đổi một dạng năng lượng sang dạng khác bằng cách sử dụng chất điện môi có tính piezoelectric hoặc electrostriction. Piezoelectricity là tính chất của một số vật liệu tạo ra điện áp khi chịu áp lực cơ học hoặc ngược lại. Electrostriction là tính chất của một số vật liệu thay đổi hình dạng hoặc kích thước khi chịu điện trường hoặc ngược lại. Bộ chuyển đổi được sử dụng để tạo ra, phát hiện, đo lường, và kiểm soát sóng âm, sóng siêu âm, rung động, áp suất, lực, dịch chuyển, nhiệt độ, v.v.
Thiết bị photonic: Đây là các thiết bị thao tác với sóng ánh sáng bằng cách sử dụng chất điện môi có các tính chất quang học như khúc xạ, phản xạ, hấp thụ, tán xạ, phân tán, birefringence, v.v. Thiết bị photonic được sử dụng để truyền, nhận, điều chế, chuyển mạch, lọc, khuếch đại, phân chia, kết hợp, lưu trữ, xử lý, hiển thị, imaging, cảm biến, v.v., và tín hiệu ánh sáng.
Thiết bị lưu trữ: Đây là các thiết bị lưu trữ thông tin bằng cách sử dụng chất điện môi có tính ferroelectric hoặc electrets. Ferroelectricity là tính chất của một số vật liệu giữ trạng thái phân cực của chúng sau khi loại bỏ điện trường ngoại vi. Electrets là các vật liệu có điện tích vĩnh cửu hoặc moment dipô. Thiết bị lưu trữ được sử dụng để lưu trữ dữ liệu trong máy tính, điện thoại di động, máy ảnh, v.v.
Kết luận
Chất điện môi là các vật liệu cách điện có thể bị phân cực bởi một điện trường được áp dụng. Chúng có các tính chất khác nhau, như hằng số điện môi, độ bền điện môi, và
