Chất điện môi là gì và các ứng dụng của chất điện môi?

Chất điện môi là một trong các loại vật liệu sử dụng nhiều, trong bài viết này trình bày các nội dung: Chất điện môi là gì, Các tính chất của chất điện môi, cũng như hiểu thêm rất nhiều kiến thức về tụ điện.

Định nghĩa

Là chất dẫn điện kém, là các vật chất có điện trở suất cao (10⁷  ÷ 10¹⁷Ω.m) ở nhiệt độ bình thường. Chất cách điện gồm phần lớn các vật liệu vô cơ cũng như hữu cơ.

Tính chất ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của linh kiện

Chất bán dẫn là gì?

Phân loại và ứng dụng của chất điện môi

• Chất điện môi thụ động (vật liệu cách điện và vật liệu tụ điện): là các vật chất được dùng làm chất cách điện và làm chất điện môi trong các tụ điện như mi ca, gốm, thuỷ tinh, pôlyme tuyến tính, cao su, sơn, giấy, bột tổng hợp, keo dính,…

Chất điện môi tích cực là các vật liệu có hằng số điện môi có thể điều khiển được bằng:

• Điện trường (VD: gốm, thuỷ tinh,..)
• Cơ học (chất áp điện như thạch anh)
• Ánh sáng (chất huỳnh quang)

Các tính chất của chất điện môi

• Độ thẩm thấu điện tương đối (hằng số điện môi – ε)
• Độ tổn hao điện môi (P_a)
• Độ bền về điện của chất điện môi (E_đ.t)
• Nhiệt độ chịu đựng
• Dòng điện trong chất điện môi (I)
• Điện trở cách điện của chất điện môi

Hằng số điện môi

Hằng số chất điện môi ký hiệu là ε, nó biêu thị khả năng phân cực của chất điện môi.

Trong đó:

• C_d: điện dung của tụ điện sử dụng chất điện môi
• C₀: điện dung của tụ điện sử dụng chất điện môi là chân không hoặc không khí

Chất điện môi dùng làm tụ điện cần có hằng số điện môi ε lớn, còn chất điện môi dùng làm chất dẫn điện có ε nhỏ

Độ tổn hao điện môi (P_a)

Độ tổn hao điện môi là công suất điện tổn hao để làm nóng chất điện môi khi đặt nó trong điện trường, được xác định thông qua dòng điện rò.

P_a = U²ωCtgδ

Trong đó:

• U là điện áp đặt lên tụ điện (V)
• C là điện dung của tụ điện dùng chất điện môi (F)
• ω là tần số góc (rad/s)
• tgδ là góc tổn hao điện môi

Nếu tổn hao điện môi trong tụ điện cơ bản là do điện trở của các bản cực, dây dẫn và tiếp giáp (vd: lớp bạc mỏng trong tụ mi ca và tụ gốm) thì tổn hao điện môi sẽ tăng tỉ lệ với bình phương của tần số:

P_a = U²ω²C²R

Vậy nên trong thực tế, các tụ điện làm việc ở tần số cao cần phải có các bản cực, dây dẫn và tiếp giáp được tráng bạc để giảm điện trở của chúng

Độ bền về điện của chất điện môi (E_đ.t)

Đặt một chất điện môi vào trong một điện trường, khi tăng cường độ điện trường lên quá một giá trị giới hạn thì chất điện môi đó mất 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 (E_đ.t)

Trong đó:

• U_đ.t: điện áp đánh thủng chất điện môi
• d:  độ dày của chất điện môi

Hiện tượng đánh thủng chất điện môi có thể do nhiệt, do điện và do quá trình điện hóa

Dòng điện trong chât điện môi (I)

Dòng điện chuyển dịch I_C.M (dòng điện cảm ứng): được tạo ra do quá trình chuyển dịch phân cực của các điện tích liên kết trong chất điện môi xảy ra cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng

Dòng điện rò I_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

Dòng điện tổng qua chất điện môi sẽ là: I = I_CM + I_rò

Sau khi quá trình phân cực kết thúc thì qua chất điện môi chỉ còn dòng điện rò