- Dielektrika a kondenzátory
- Dielektrikum v externom elektrickom poli
- Meranie elektrickej permitivity
- Experiment na meranie elektrickej permitivity vzduchu
- -Materials
- -Process
- dôležitý
- Referencie
Elektrické permitivita je parameter, ktorý kvantifikuje odozvu média v prítomnosti elektrického poľa. Označuje sa gréckym písmenom ε a jeho hodnota pre vákuum, ktorá slúži ako referencia pre ostatné médiá, je nasledovná: ε o = 8,88541878176 x 10-12 C 2 / Nm 2
Povaha média mu dáva osobitnú odpoveď na elektrické polia. Týmto spôsobom teplota, vlhkosť, molekulová hmotnosť, geometria molekúl, ktoré ju tvoria, ovplyvňujú vnútorné napätie alebo že v priestore existuje nejaký preferenčný smer, v ktorom je uľahčená existencia poľa.
Obrázok 1. Vzduch sa stáva vodivým nad určitým napätím. Zdroj: Pixabay.
V druhom prípade má materiál anizotropiu. Ak nie je preferovaný ani jeden smer, materiál sa považuje za izotropný. Priepustnosť akéhokoľvek homogénneho média sa môže vyjadriť ako funkcia priepustnosti vákua ε alebo vyjadrením:
ε = κε alebo
Kde K je relatívna priepustnosť materiálu, tiež nazývaná dielektrická konštanta, bezrozmerná veličina, ktorá bola experimentálne stanovená pre mnoho materiálov. Spôsob vykonania tohto merania bude vysvetlený neskôr.
Dielektrika a kondenzátory
Dielektrikum je materiál, ktorý dobre nevedie elektrinu, takže ho možno použiť ako izolátor. To však nebráni materiálu, aby bol schopný reagovať na vonkajšie elektrické pole a vytvoriť si svoj vlastný.
V nasledujúcom texte budeme analyzovať reakciu izotropných dielektrických materiálov ako sklo, vosk, papier, porcelán a niektoré tuky, ktoré sa bežne používajú v elektronike.
Medzi dvoma kovovými plátmi plochého kondenzátora s rovnobežnou doskou môže byť vytvorené elektrické pole mimo dielektrika.
Dielektrikám na rozdiel od vodičov, ako je meď, chýbajú bezplatné náboje, ktoré sa môžu pohybovať v materiáli. Ich základné molekuly sú elektricky neutrálne, ale náboje sa môžu mierne posunúť. Týmto spôsobom môžu byť modelované ako elektrické dipóly.
Dipól je elektricky neutrálny, ale kladný náboj je malú vzdialenosť od záporného náboja. V dielektrickom materiáli a pri neexistencii vonkajšieho elektrického poľa sú dipóly obvykle distribuované náhodne, ako je znázornené na obrázku 2.
Obrázok 2. V dielektrickom materiáli sú dipóly orientované náhodne. Zdroj: vlastný.
Dielektrikum v externom elektrickom poli
Keď je dielektrikum zavedené do stredu vonkajšieho poľa, napríklad do jednej vytvorenej vo vnútri dvoch vodivých fólií, dipóly sa reorganizujú a náboje sa oddelia, čím sa v materiáli vytvorí vnútorné elektrické pole v opačnom smere ako vonkajšie pole. ,
Keď dôjde k tomuto posunutiu, hovorí sa, že materiál je polarizovaný.
Obrázok 3. Polarizovaný dielektrický materiál. Zdroj: vlastný.
Táto indukovaná polarizácia spôsobuje, že sieť alebo výsledné elektrické pole E sa zníži, čo je účinok znázornený na obrázku 3, pretože vonkajšie pole a vnútorné pole generované uvedenou polarizáciou majú rovnaký smer, ale opačné smery. Veľkosť E je daná:
Vonkajšie pole podlieha redukcii vďaka interakcii s materiálom vo faktore nazývanom K alebo dielektrická konštanta materiálu, ktorého makroskopická vlastnosť je rovnaká. Pokiaľ ide o toto množstvo, výsledné alebo čisté pole je:
Dielektrická konštanta K je relatívna permitivita materiálu, bezrozmerné množstvo vždy väčšie ako 1 a rovné 1 vo vákuu.
Buď ε = κε alebo ako je popísané na začiatku. Jednotky e sú rovnaké ako u ε O : C 2 / Nm 2 alebo F / m.
Meranie elektrickej permitivity
Účinkom vloženia dielektrika medzi dosky kondenzátora je umožnenie uloženia ďalších poplatkov, to znamená zvýšenie kapacity. Túto skutočnosť objavil Michael Faraday v 19. storočí.
Dielektrickú konštantu materiálu je možné merať pomocou plochého kondenzátora s paralelnými doskami nasledujúcim spôsobom: ak medzi platňami je iba vzduch, je možné preukázať, že kapacita je daná:
Kde C o je kapacita kondenzátora, A je plocha dosiek a d je vzdialenosť medzi nimi. Keď však vkladáte dielektrikum, kapacita sa zvyšuje o faktor K, ako je vidieť v predchádzajúcej časti, a potom je nová kapacita C úmerná originálu:
C = κε alebo . A / d = ε. A / d
Pomer medzi konečnou a pôvodnou kapacitou je dielektrická konštanta materiálu alebo relatívna permitivita:
K = C / C alebo
A absolútna elektrická permitivita daného materiálu je známa prostredníctvom:
ε = ε o . (C / C o )
Merania sa dajú ľahko vykonať, ak máte multimeter schopný merať kapacitu. Alternatívou je meranie napätia Vo medzi doskami kondenzátora bez dielektrika a izolované od zdroja. Potom sa zavádza dielektrikum a pozoruje sa pokles napätia, ktorého hodnota bude V.
Potom K = V alebo / V
Experiment na meranie elektrickej permitivity vzduchu
-Materials
- Nastaviteľný rozstup paralelného plochého kondenzátora.
- Mikrometrická alebo ľahšia skrutka.
- Multimeter, ktorý má funkciu merania kapacity.
- Grafický papier.
-Process
- Vyberte vzdialenosť d medzi kondenzátorovými doskami a pomocou multimetra zmerajte kapacitu C o . Zaznamenajte dátový pár do tabuľky hodnôt.
- Vyššie uvedený postup zopakujte najmenej pre 5 oddelení platní.
- Nájdite kvocient (A / d) pre každú z meraných vzdialeností.
- Vďaka výrazu C o = ε o . A / d je známe, že C o je úmerná kvocientu (A / d). Každú hodnotu C alebo jej zodpovedajúcu A / d hodnotu vyneste na milimetrový papier .
- Vizuálne upravte najlepšiu čiaru a určte jej sklon. Alebo nájdite sklon pomocou lineárnej regresie. Hodnota svahu je priepustnosť vzduchu.
dôležitý
Oddeľovanie medzi doskami by nemalo prekročiť asi 2 mm, pretože rovnica pre kapacitu paralelného kondenzátora s plochými doskami predpokladá nekonečné dosky. Toto je však celkom dobrá aproximácia, pretože strana dosiek je vždy oveľa väčšia ako oddelenie medzi nimi.
V tomto experimente je stanovená permitivita vzduchu, ktorá je celkom blízka vákuu. Dielektrická konštanta vákua je κ = 1, zatiaľ čo suchá vzduch je κ = 1 00059.
Referencie
- Dielektrikum. Dielektrická konštanta. Získané z: electricistas.cl.
- Figueroa, Douglas. 2007. Fyzikálna séria pre vedu a techniku. Elektrická interakcia zväzku 5. 2 .. Vydanie. 213-215.
- Laboratori d'Electricitat i Magnetisme (UPC). Relatívna priepustnosť materiálu. Získané z: elaula.es.
- Monge, M. Dielectrics. Elektrostatické pole. Univerzita Carlosa III. Z Madridu. Získané z: ocw.uc3m.es.
- Sears, Zemansky. 2016. Univerzitná fyzika s modernou fyzikou. 14 th . 797-806.