- Dielektrika a kondenzátory
- Dielektrikum v externím elektrickém poli
- Měření elektrické permitivity
- Pokus o měření elektrické permitivity vzduchu
- -Materiály
- -Proces
- Důležité
- Reference
Elektrické permitivita je parametr, který kvantifikuje odezvu média v přítomnosti elektrického pole. To je označováno řeckým písmenem e a jeho hodnotu pro vakuum, který slouží jako referenční pro ostatní média je následující: ε o = 8,8541878176 x 10 -12 C 2 / Nm 2
Povaha média mu dává zvláštní reakci na elektrická pole. Tímto způsobem teplota, vlhkost, molekulová hmotnost, geometrie molekul, které jsou součástí, mechanická napětí ve vnitřním vlivu, nebo že v prostoru, ve kterém je usnadněna existence pole, existuje nějaký preferenční směr.
Obrázek 1. Vzduch se stává vodivým nad určitým napětím. Zdroj: Pixabay.
Ve druhém případě má materiál anizotropii. A pokud žádný směr není preferenční, považuje se tento materiál za izotropní. Propustnost jakéhokoli homogenního média může být vyjádřena jako funkce propustnosti vakua ε nebo vyjádřením:
ε = κε nebo
Kde K je relativní propustnost materiálu, také nazývaná dielektrická konstanta, bezrozměrná veličina, která byla experimentálně stanovena pro mnoho materiálů. Způsob provedení tohoto měření bude vysvětlen později.
Dielektrika a kondenzátory
Dielektrikum je materiál, který nevede dobře elektřinu, takže jej lze použít jako izolátor. To však nebrání tomu, aby materiál mohl reagovat na vnější elektrické pole a vytvořit si vlastní.
V následujícím textu budeme analyzovat reakci izotropních dielektrických materiálů, jako je sklo, vosk, papír, porcelán a některé tuky, které se běžně používají v elektronice.
Elektrické pole vně dielektrika může být vytvořeno mezi dvěma kovovými pláty plochého paralelního deskového kondenzátoru.
Dielektrika, na rozdíl od vodičů, jako je měď, postrádají bezplatné náboje, které se mohou pohybovat v materiálu. Jejich základní molekuly jsou elektricky neutrální, ale náboje se mohou mírně posouvat. Tímto způsobem mohou být modelovány jako elektrické dipóly.
Dipol je elektricky neutrální, ale kladný náboj je malá vzdálenost od záporného náboje. V dielektrickém materiálu a v nepřítomnosti vnějšího elektrického pole jsou dipóly obvykle distribuovány náhodně, jak je znázorněno na obrázku 2.
Obrázek 2. V dielektrickém materiálu jsou dipóly orientovány náhodně. Zdroj: vlastní výroba.
Dielektrikum v externím elektrickém poli
Když je dielektrikum zavedeno uprostřed vnějšího pole, například ten vytvořený uvnitř dvou vodivých listů, dipóly se reorganizují a náboje se oddělují, čímž se vytvoří vnitřní elektrické pole v materiálu v opačném směru než vnější pole..
Když toto přemístění nastane, materiál je označen jako polarizovaný.
Obrázek 3. Polarizovaný dielektrický materiál. Zdroj: vlastní výroba.
Tato indukovaná polarizace způsobí pokles sítě nebo výsledného elektrického pole E, což je účinek znázorněný na obrázku 3, protože vnější pole a vnitřní pole generované uvedenou polarizací mají stejný směr, ale opačné směry. Velikost E je dána:
Vnější pole podléhá redukci díky interakci s materiálem ve faktoru zvaném K nebo dielektrická konstanta materiálu, jehož makroskopická vlastnost je stejná. Pokud jde o toto množství, výsledné nebo čisté pole je:
Dielektrická konstanta K je relativní permitivita materiálu, bezrozměrné množství vždy větší než 1 a rovné 1 ve vakuu.
Buď ε = κε nebo jak je popsáno na začátku. Jednotky e jsou stejné jako u ε O: C 2 / Nm 2 nebo F / m.
Měření elektrické permitivity
Účinkem vložení dielektrika mezi desky kondenzátoru je umožnit uložení dalších nábojů, to znamená zvýšení kapacity. Tuto skutečnost objevil Michael Faraday v 19. století.
Dielektrickou konstantu materiálu je možné měřit pomocí plochého kondenzátoru s paralelní deskou následujícím způsobem: pokud je mezi deskami pouze vzduch, lze ukázat, že kapacita je dána:
Kde C o je kapacita kondenzátoru, A je plocha desek a d je vzdálenost mezi nimi. Při vložení dielektrika se však kapacita zvýší o faktor κ, jak je vidět v předchozí části, a poté je nová kapacita C úměrná původnímu:
C = κε nebo. A / d = ε. A / d
Poměr mezi konečnou a počáteční kapacitou je dielektrická konstanta materiálu nebo relativní permitivita:
K = C / C nebo
A absolutní elektrická permitivita daného materiálu je známa prostřednictvím:
ε = ε o. (C / C o)
Měření lze snadno provádět, pokud máte multimetr schopný měřit kapacitu. Alternativou je změřit napětí Vo mezi deskami kondenzátoru bez dielektrika a izolovanými od zdroje. Poté se zavede dielektrikum a pozoruje se pokles napětí, jehož hodnota bude V.
Pak κ = V nebo / V
Pokus o měření elektrické permitivity vzduchu
-Materiály
- Nastavitelný rozteč paralelního plochého kondenzátoru.
- Mikrometrický nebo přesnější šroub.
- Multimetr, který má funkci měřicí kapacity.
- Milimetrový papír.
-Proces
- Vyberte vzdálenost d mezi kondenzátorovými deskami a pomocí multimetru změřte kapacitu C o. Zaznamenejte datový pár do tabulky hodnot.
- Opakujte výše uvedený postup pro nejméně 5 separací destiček.
- Najděte kvocient (A / d) pro každou z měřených vzdáleností.
- Díky výrazu C o = ε o. Je známo, že C o je úměrné kvocientu (A / d). Nakreslete každou hodnotu C nebo její příslušné hodnoty A / d na milimetrový papír.
- Vizuálně upravte nejlepší čáru a určete její sklon. Nebo najděte svah pomocí lineární regrese. Hodnota svahu je permitivita vzduchu.
Důležité
Vzdálenost mezi deskami by neměla přesáhnout asi 2 mm, protože rovnice pro kapacitu paralelního kondenzátoru s plochými deskami předpokládá nekonečné desky. Toto je však docela dobrá aproximace, protože strana desek je vždy mnohem větší než oddělení mezi nimi.
V tomto experimentu je stanovena permitivita vzduchu, což je docela blízké vakuu. Dielektrická konstanta vakua je κ = 1, zatímco suchá vzduch je κ = 1.00059.
Reference
- Dielektrikum. Dielektrická konstanta. Obnoveno z: electricistas.cl.
- Figueroa, Douglas. 2007. Fyzikální série pro vědu a techniku. Elektrická interakce svazku 5. 2. Edice. 213-215.
- Laboratori d'Electricitat i Magnetisme (UPC). Relativní propustnost materiálu. Obnoveno z: elaula.es.
- Monge, M. Dielectrics. Elektrostatické pole. Univerzita Carlos III z Madridu. Obnoveno z: ocw.uc3m.es.
- Sears, Zemansky. 2016. Univerzitní fyzika s moderní fyzikou. 14 th. Ed. 797-806.