Chất điện môi là chất cách điện ngăn cách hai bản cực hoặc tấm dẫn điện trong tụ điện. Chất cách điện là những vật liệu không dẫn điện, ví dụ như nhựa, thủy tinh, giấy hoặc gỗ. Chức năng của chất điện môi là tăng điện dung để tụ điện có thể tích trữ nhiều điện tích và năng lượng điện thế hơn.
Tụ điện có thể hoạt động nếu hai bản dẫn không chạm vào nhau để điện tích không di chuyển từ bản dẫn này sang bản dẫn kia. Tương tự, để điện tích không di chuyển từ vật dẫn ra không khí, khoảng không giữa hai vật dẫn phải là chân không. Trong chủ đề về tụ điện bản song song, chúng ta đã thảo luận về điện dung của tụ điện bản song song được ngăn cách bởi chân không. Điện dung của tụ điện trong chân không có những hạn chế, vì vậy để tăng điện dung, người ta đặt chất điện môi giữa hai bản dẫn.
Lớp điện môi làm tăng điện dung vì điện thế giữa hai bản dẫn giảm xuống.
Tại sao điện dung của tụ điện lại tăng lên sau khi có chất điện môi được đặt giữa hai bản cực hoặc tấm kim loại? Để tìm ra câu trả lời cho câu hỏi này, trước tiên, hãy nhớ lại bài học về điện tích. Các điện tích cùng dấu đẩy nhau, trong khi các điện tích trái dấu hút nhau. Ví dụ, điện tích dương hút điện tích âm nhưng đẩy điện tích dương. Vậy tại sao nhựa tích điện âm lại có thể hút những mẩu giấy nhỏ không tích điện? Điều này xảy ra vì mẩu giấy bị phân cực điện tích.
Các electron trong vật liệu cách điện như giấy không thể di chuyển tự do như các electron trong vật liệu dẫn điện. Vì vậy, khi đưa mảnh nhựa tích điện âm lại gần mảnh giấy, các electron liên kết với nguyên tử sẽ bị đẩy ra xa khỏi mảnh nhựa tích điện âm. Do đó, xảy ra hiện tượng phân cực điện tích âm và điện tích dương trên giấy. Điện tích âm trên giấy nằm xa nhựa hơn, trong khi điện tích dương trên giấy lại gần nhựa hơn. Khi đó, điện tích âm trên nhựa sẽ hút điện tích dương trên mảnh giấy cho đến khi mảnh giấy tiến lại gần nhựa hơn.
Quá trình phân cực điện tích xảy ra trên các mảnh giấy tương tự như quá trình phân cực điện tích xảy ra trong chất điện môi. Như hình bên trái minh họa, ví dụ, ban đầu chỉ có hai mảnh vật dẫn tích điện. Mảnh bên trái tích điện dương trong khi mảnh bên phải tích điện âm, do đó hướng của điện trường là từ trái sang phải.
Sau khi đặt lớp điện môi giữa hai bản dẫn, điện tích dương trên bản dẫn bên trái hút các electron trên bề mặt điện môi gần đó. Đồng thời, điện tích âm trên bản dẫn bên phải đẩy các electron trên bề mặt điện môi gần đó. Các electron trong điện môi, vốn là chất cách điện, không thể tự do di chuyển như các electron trong chất dẫn điện. Do đó, các electron vẫn bị ràng buộc với nguyên tử, nhưng có sự phân cực giữa các electron mang điện tích âm và các proton mang điện tích dương, như thể hiện trong hình vẽ.
Sự hiện diện của điện tích dương ở phía bên phải của các nguyên tử điện môi và điện tích âm ở phía bên trái của các nguyên tử điện môi tạo ra một điện trường. Điện trường này chạy từ phải sang trái, làm suy yếu điện trường được tạo ra bởi điện tích trên tấm dẫn điện, vốn chạy từ trái sang phải. Vì vậy, điện trường giảm không phải vì điện tích trên hai tấm/lá dẫn điện giảm, mà vì điện trường xuất hiện trong chất điện môi theo hướng ngược lại. Nếu chất điện môi được giải phóng, cường độ điện trường được tạo ra bởi điện tích trên hai tấm hoặc lá dẫn điện sẽ trở lại bình thường.
If
Khi cường độ điện trường sinh ra bởi điện tích trên cả hai bản dẫn giảm đi, điện thế giữa hai bản dẫn cũng giảm đi. Bởi vì điện trường tỷ lệ thuận với điện thế như được nêu trong phương trình E = V / d, trong đó E = điện trường, V = điện thế và d = khoảng cách giữa hai bản dẫn. Nếu trước khi đi qua chất điện môi, điện thế trên bản dẫn là Vo, thì sau khi đi qua chất điện môi, điện thế giảm xuống còn V với hệ số K.
Về mặt toán học, Vo = KV hoặc V = Vo / K hoặc K = Vo / V, trong đó K là hằng số điện môi. Vo > V nên K > 1.
Xin lưu ý rằng lượng điện tích trên cả hai bản cực hoặc tấm dẫn điện không thay đổi, do đó lượng điện tích cuối cùng bằng lượng điện tích ban đầu (Q = Qo). Sự thay đổi điện dung của tụ điện được tính theo cách sau:
C = điện dung cuối, Co = điện dung ban đầu, Q = điện tích cuối, Qo = điện tích ban đầu, V = điện thế cuối, Vo = điện thế ban đầu, K = hằng số điện môi
Dựa trên phương trình trên, có thể kết luận rằng điện dung ban đầu (Co) nhỏ hơn trong khi điện dung cuối cùng (C) lớn hơn. Điện dung tăng lên theo hệ số K, trong đó K là hằng số điện môi. Giá trị hằng số điện môi của mỗi vật liệu cách điện khác nhau. Hằng số điện môi (K) là kết quả của tỷ lệ giữa điện dung của tụ điện khi sử dụng chất điện môi và điện dung của tụ điện khi không sử dụng chất điện môi.
Điện dung môi tăng lên do khoảng cách giữa hai bản dẫn giảm xuống.
Một chức năng khác của chất điện môi là giảm khoảng cách (d) giữa hai bản dẫn. Nhờ đó, điện trường (E) và điện áp (V) giữa hai bản dẫn tăng lên, như được thể hiện trong phương trình E = V / d. Nếu điện trường và điện áp giữa hai bản dẫn tăng lên, thì điện dung của tụ điện cũng tăng lên.
Nếu các tụ điện được đề cập mắc song song, điện dung được tính bằng công thức sau:
Dựa trên hai công thức trên, có thể kết luận rằng điện dung (C) của tụ điện phẳng song song có thể được tăng lên bằng cách giảm khoảng cách giữa hai bản cực hoặc tấm dẫn điện (d).
Điện dung môi tăng lên vì điện dung của tụ điện tăng lên.
Vật liệu điện môi được cấu tạo từ chất cách điện, nếu đặt trong điện trường mạnh sẽ bị hư hỏng. Sự hư hỏng điện môi xảy ra khi điện trường quá mạnh có thể đẩy các electron ra khỏi nguyên tử, sau đó các electron này va chạm với các electron trên các nguyên tử khác, tạo ra dòng electron trong vật liệu điện môi. Nói cách khác, sự hư hỏng điện môi khiến vật liệu điện môi, vốn là chất cách điện, biến thành chất dẫn điện.
Để tránh hư hỏng, mỗi chất điện môi được làm từ một loại vật liệu cách điện nhất định đều có giá trị điện trường tối đa mà nó có thể chịu được, được gọi là hằng số điện môi. Hằng số điện môi của vật liệu cách điện lớn hơn hằng số điện môi của không khí và mỗi vật liệu cách điện lại có hằng số điện môi khác nhau, một số nhỏ và một số lớn. Vì vậy, nếu sử dụng chất điện môi có hằng số điện môi lớn, điện trường mà nó có thể chịu được sẽ lớn hơn và điện áp mà nó có thể chịu được cũng lớn hơn. Nếu điện trường và điện áp do hai bản cực hoặc tấm dẫn điện tạo ra càng lớn, thì lượng điện tích mà tấm dẫn điện có thể chứa càng lớn. Lượng điện tích bên trong tấm dẫn điện càng nhiều, điện dung của tụ điện càng lớn.
