- Диэлектрики и конденсаторы
- Диэлектрик во внешнем электрическом поле
- Измерение диэлектрической проницаемости
- Эксперимент по измерению диэлектрической проницаемости воздуха
- -Материалы
- -Обработать
- Важный
- Ссылки
Электрическая проницаемость является параметром , который количественно отклик среды в присутствии электрического поля. Он обозначается греческой буквой ε, а его значение для вакуума, которое служит ориентиром для других сред, следующее: ε o = 8,8541878176 x 10 -12 C 2 / Нм 2.
Природа среды дает ей особую реакцию на электрические поля. Таким образом, температура, влажность, молекулярный вес, геометрия составляющих молекул, механические напряжения во внутреннем воздействии или наличие некоторого предпочтительного направления в пространстве, в котором облегчается существование поля.
Рисунок 1. Воздух становится проводящим при превышении определенного напряжения. Источник: Pixabay.
В последнем случае говорят, что материал обладает анизотропией. И когда ни одно из направлений не является предпочтительным, материал считается изотропным. Проницаемость любой однородной среды может быть выражена как функция проницаемости вакуума ε или выражением:
ε = κε или
Где κ - относительная проницаемость материала, также называемая диэлектрической постоянной, безразмерная величина, которая была определена экспериментально для многих материалов. Способ проведения этого измерения будет объяснен позже.
Диэлектрики и конденсаторы
Диэлектрик - это материал, который плохо проводит электричество, поэтому его можно использовать в качестве изолятора. Однако это не мешает материалу реагировать на внешнее электрическое поле, создавая собственное.
Далее мы проанализируем реакцию изотропных диэлектрических материалов, таких как стекло, воск, бумага, фарфор и некоторые жиры, которые обычно используются в электронике.
Электрическое поле, внешнее по отношению к диэлектрику, может быть создано между двумя металлическими листами конденсатора с плоскими параллельными пластинами.
В диэлектриках, в отличие от таких проводников, как медь, отсутствуют свободные заряды, которые могут перемещаться внутри материала. Составляющие их молекулы электрически нейтральны, но заряды могут немного сдвигаться. Таким образом, их можно смоделировать как электрические диполи.
Диполь электрически нейтрален, но положительный заряд находится на небольшом расстоянии от отрицательного заряда. Внутри диэлектрического материала и в отсутствие внешнего электрического поля диполи обычно распределены случайным образом, как показано на рисунке 2.
Рис. 2. В диэлектрическом материале диполи ориентированы случайным образом. Источник: самодельный.
Диэлектрик во внешнем электрическом поле
Когда диэлектрик вводится в середину внешнего поля, например, созданного внутри двух проводящих листов, диполи реорганизуются, и заряды разделяются, создавая внутреннее электрическое поле в материале в направлении, противоположном внешнему полю. .
Когда происходит это смещение, материал считается поляризованным.
Рисунок 3. Поляризованный диэлектрический материал. Источник: самодельный.
Эта индуцированная поляризация вызывает уменьшение суммарного или результирующего электрического поля E, эффект, показанный на фиг. 3, поскольку внешнее поле и внутреннее поле, генерируемые указанной поляризацией, имеют одинаковое направление, но противоположные направления. Величина E определяется как:
Внешнее поле подвергается уменьшению благодаря взаимодействию с материалом в факторе, называемом κ или диэлектрической проницаемости материала, макроскопическом свойстве того же самого. В терминах этого количества результирующее или чистое поле будет:
Диэлектрическая проницаемость κ - это относительная диэлектрическая проницаемость материала, безразмерная величина, всегда больше 1 и равная 1 в вакууме.
Либо ε = κε, либо как описано в начале. Единицы ε такие же, как и для ε o : C 2 / Нм 2 или Ф / м.
Измерение диэлектрической проницаемости
Эффект введения диэлектрика между пластинами конденсатора состоит в том, чтобы обеспечить накопление дополнительных зарядов, то есть увеличение емкости. Этот факт открыл Майкл Фарадей в 19 веке.
Можно измерить диэлектрическую проницаемость материала, используя конденсатор с плоскими параллельными пластинами, следующим образом: когда между пластинами находится только воздух, можно показать, что емкость определяется как:
Где C o - емкость конденсатора, A - площадь пластин, а d - расстояние между ними. Но при установке диэлектрика емкость увеличивается в κ раз, как показано в предыдущем разделе, а затем новая емкость C пропорциональна исходной:
C = κε или . A / d = ε. A / d
Отношение конечной емкости к начальной - это диэлектрическая проницаемость материала или относительная диэлектрическая проницаемость:
κ = C / C или
А абсолютная электрическая проницаемость рассматриваемого материала известна через:
е = е о . (C / C o )
Измерения можно легко провести, если у вас есть мультиметр, способный измерять емкость. Альтернативой является измерение напряжения Vo между пластинами конденсатора без диэлектрика и изолированного от источника. Затем вводится диэлектрик и наблюдается снижение напряжения, значение которого будет равно В.
Тогда κ = V или / V
Эксперимент по измерению диэлектрической проницаемости воздуха
-Материалы
- Регулируемый зазор с параллельными плоскими пластинами конденсатора.
- Винт микрометрический или верньерный.
- Мультиметр с функцией измерения емкости.
- Миллиметровая бумага.
-Обработать
- Выберите расстояние d между пластинами конденсатора и с помощью мультиметра измерьте емкость C o . Запишите пару данных в таблицу значений.
- Повторите описанную выше процедуру как минимум для 5 разделений пластин.
- Найдите частное (A / d) для каждого измеренного расстояния.
- Благодаря выражению C o = ε o . A / d известно, что C o пропорционально частному (A / d). Нанесите каждое значение C или соответствующее ему значение A / d на миллиметровую бумагу .
- Визуально откорректируйте лучшую линию и определите ее наклон. Или найдите наклон с помощью линейной регрессии. Величина наклона - диэлектрическая проницаемость воздуха.
Важный
Расстояние между пластинами не должно превышать примерно 2 мм, поскольку уравнение емкости конденсатора с параллельными плоскими пластинами предполагает бесконечность пластин. Однако это довольно хорошее приближение, так как сторона пластин всегда намного больше расстояния между ними.
В этом эксперименте определяется диэлектрическая проницаемость воздуха, которая довольно близка к диэлектрической проницаемости вакуума. Диэлектрическая проницаемость вакуума κ = 1, а диэлектрическая проницаемость сухого воздуха κ = 1.00059.
Ссылки
- Диэлектрик. Диэлектрическая постоянная. Получено с: electricistas.cl.
- Фигероа, Дуглас. 2007. Серия физики для науки и техники. Том 5 Электрическое взаимодействие. 2-й. Издание. 213-215.
- Laboratori d'Electricitat i Magnetisme (UPC). Относительная проницаемость материала. Получено с: elaula.es.
- Монж, М. Диэлектрики. Электростатическое поле. Мадридский университет Карлоса III. Получено с: ocw.uc3m.es.
- Сирс, Земанский. 2016. Университетская физика с современной физикой. 14 чт . Изд. 797-806.