Chất điện môi là gì?

Chất điện môi (tên Tiếng Anh: dielectric), là một ngữ được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực điện và điện tử, dùng để chỉ những loại chất liệu có khả năng cách điện hoặc dẫn điện rất kém, đồng thời chúng bị phân cực khi đặt trong một điện trường.

Khi một chất điện môi được đặt trong một điện trường, các điện tích bên trong không thể di chuyển qua nó, như trong dây dẫn điện, do không có các electron tự do. Thay vào đó, các điện tích trong vật liệu điện môi dịch chuyển một chút so với vị trí cân bằng trung bình của chúng. Sự phân cực giữa các điện tích trong vật liệu điện môi, thể hiểu khả năng lưu trữ năng lượng của vật liệu, và nó được thể hiện thông qua hằng số điện môi thường được biểu thị bằng ký hiệu ε(epsilon), k, hoặc một số kiểu ký hiệu khác.

Tìm hiểu về nguồn gốc của cái tên “dielectric”

Như mình đã giới thiệu ở trên, thuật ngữ “chất điện môi” có tên nguyên bản trong tiếng anh là “dielectric”, trong nhiều trường hợp nó cũng được gọi là “dielectric material”.

Việc hiểu được ý nghĩa của cái tên “dielectric”, giúp ta hiểu sâu và nhớ lâu hơn về chất liệu điện môi.

Từ “dielectric” tên nguyên bản ban đầu là “diaelectric”, là sự kết hợp giữa “Dia” + “Electric” trong “Electric field”.

Dia – trong tiếng Hy Lạp nghĩa là đi qua, xuyên qua.

Electric field – Trong tiếng anh nghĩa là điện trường.

Thuật ngữ “diaelectric”, được đề xuất bởi một nhà khoa học có tên là william whewell, vào thế kỷ 19, sau đó thuật ngữ này được rút gọn thành “dielectric”.

Nó mang ý nghĩa là cho phép điện trường đi qua.

Hằng số điện môi là gì?

Như bạn đã biết khả năng phân cực, là một tính chất quan trọng khi đề cập đến chất điện môi. Các chất điện môi khác nhau có hằng số điện môi khác nhau, hằng số điện môi càng cao, vật liệu đó khả năng phân cực càng tốt.

Hằng số điện môi ε(epsilon), k là độ thấm tương đối của vật liệu điện môi. Đây là một tham số quan trọng trong việc mô tả đặc tính của tụ điện.

Hằng số điện môi của một số loại vật liệu, ở mức nhiệt độ 20℃:

Hằng số điện môi của chân không: 1.
Hằng số điện môi của thủy tinh: 5 -10.
Hằng số điện môi của teflon: 2,1.

Tính chất của chất điện môi

Chất điện môi là thuật ngữ đề cập đến nhiều loại vật chất khác nhau, những loại chất liệu trong nhóm này, có đặc điểm chung đồng thời có khác biệt.

Để lựa chọn được loại chất điện môi phù hợp, cho những ứng dụng cụ thể, một số tính chất của chất điện môi ta cần phải chú ý bao gồm:

Giới hạn điện trường: Các loại chất điện môi đều có một ngưỡng giới hạn điện trường nhất định (V/m), trong giới hạn cho phép chất liệu này, có thể duy trì được khả năng cách điện. Khi điện áp tăng cao quá giới hạn chất điện môi sẽ cho phép điện truyền qua, hiện tượng này thường được gọi với cái tên là đánh thủng.
Sự đánh thủng xảy ra khi từ trường bên ngoài vượt quá lực liên kết của các electron trong vật liệu, khiến chúng thoát ra khỏi nguyên tử hoặc phân tử và tạo ra đường dẫn dòng điện xuyên qua vật liệu. Điện áp đánh thủng phụ thuộc vào một số yếu tố, chẳng hạn như độ dày, độ tinh khiết, nhiệt độ và độ ẩm của vật liệu.
Mức độ tổn thất: Sự tổn thất điện là do điện năng bị chuyển hóa thành nhiệt năng, rồi phân tán mất đi. Vật liệu có tổn thất điện môi thấp, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cao và nhiệt độ thấp.

Ví dụ về chất điện môi

Chất điện môi bao gồm nhiều loại chất liệu khác nhau, chúng là những loại vật chất tồn tại ở cả 3 trạng thái rắn, lỏng và khí.

Chân không là được xem là “chất điện môi đặc biệt”, do nó không là môi trường không tồn tại vật chất, hằng số điện môi của nó được quy ước bằng 1.

Chất điện môi ở trạng thái khí

Chất điện môi ở trạng thái khí, có các nguyên tử liên kết lỏng lẻo và có thể di chuyển tự do. Chúng có hằng số điện môi thấp (gần bằng 1) và tổn thất điện môi thấp. Ví dụ bao gồm không khí, nitơ, heli,…

Chất điện môi ở trạng thái lỏng

Chất điện môi ở trạng thái lỏng có các phân tử liên kết chặt chẽ hơn, so với chất khí nhưng vẫn có thể chuyển động xung quanh. Chúng có hằng số điện môi cao hơn chất khí khoảng (từ 2 đến 80) và tổn thất điện môi cao hơn. Ví dụ bao gồm nước, ethanol, glycerol,…

Chất điện môi ở trạng thái rắn

Chất điện môi ở trạng thái rắn có các nguyên tử được liên kết chặt chẽ ở các vị trí cố định. Chúng có hằng số điện môi cao hơn chất lỏng, khoảng (từ 3 đến 2000) và tổn thất điện môi cao hơn. Ví dụ bao gồm thủy tinh, gốm sứ, nhựa, giấy, thạch anh,…

Hoạt động của chất điện môi

Chất điện môi không có khả năng dẫn điện, hoặc khả năng dẫn điện rất thấp. Chúng hoạt động khi được đặt trong một điện trường phù hợp.

Chất điện môi được đặt trong điện trường, này sinh hiện tượng phân cực làm phân tách các điện tích bên trong loại chất liệu đó.

Hoạt động của chất điện môi được thể hiện rõ nhất, thông qua một loại linh kiện điện tử đó là tụ điện.

Một tụ điện có cấu tạo cơ bản gồm hai tấm kim loại có bề mặt song song với nhau, được ngăn cách bởi một lớp chất điện môi. Khi có một điện áp được đặt vào hai bản tụ (bản kim loại), giữa chúng sẽ tạo ra một điện trường, điện trường này tạo ra các điện tích, tích tụ trên mỗi bản kim loại.

Khả năng lưu trữ điện tích, được gọi là điện dung của tụ điện, nó phụ thuộc vào các yếu tố bao gồm, khoảng cách giữa hai bản tụ, hằng số điện môi, diện tích phần đối xứng nhau, giữa các bản tụ.

Ứng dụng của chất điện môi

Chất điện môi là bao gồm nhiều loại vật liệu khác nhau, chính vì vậy chúng được sử dụng rất nhiều ứng dụng, thuộc nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên trong bài viết này, sẽ chỉ đề cập đến những ứng dụng, liên quan đến lĩnh vực điện.

Một số ứng dụng phổ biến của chất điện môi bao gồm:

Tụ điện: trong tất cả các loại tụ điện, chúng đều có phần chất điện môi tồn tại ở giữa hai bản tụ, Có thể là giấy, mica, không khí,… điều này phụ thuộc vào chủng loại của tụ điện, cũng như mục đích chúng được thiết kế. Chất điện môi là một trong những yếu tố chính, ảnh hưởng đến điện dung của tụ điện.
Thiết bị bộ nhớ: Đây là những thiết bị lưu trữ thông tin bằng cách sử dụng vật liệu điện môi có tính điện môi. Một số vật liệu giữ được trạng thái phân cực của chúng, ngay cả sau khi loại bỏ điện trường bên ngoài. Thiết bị bộ nhớ được sử dụng, để lưu trữ dữ liệu trong máy tính, điện thoại di động, máy ảnh, v.v.
Màn hình tinh thể lỏng: Tinh thể lỏng là một dạng của vật liệu phân cực, có khả năng thay đổi cường độ sáng, khi được đặt trong một trường điện. Khi một điện trường được áp dụng thông qua chất liệu, tinh thể lỏng sẽ thay đổi cấu trúc của nó và làm thay đổi cường độ sáng của điểm ảnh trên màn hình.