- Dielektrik og kondensatorer
- Dielektrisk i et eksternt elektrisk felt
- Måling af elektrisk permittivitet
- Eksperiment til at måle den elektriske permittivitet for luft
- -materialer
- -Behandle
- Vigtig
- Referencer
Den elektriske permittivitet er den parameter, der kvantificerer et medies respons i nærvær af et elektrisk felt. Det er angivet ved det græske bogstav ε og dens værdi for vakuum, der tjener som reference for de andre medier, er følgende: ε o = 8,8541878176 x 10 -12 C 2 / Nm 2
Mediets beskaffenhed giver det en særlig reaktion på elektriske felter. På denne måde påvirker temperatur, fugtighed, molekylvægt, geometrien for bestanddelmolekylerne, de mekaniske spændinger det indre, eller at der er en præferenceretning i rummet, hvor eksistensen af et felt letter.
Figur 1. Luft bliver ledende over en bestemt spænding. Kilde: Pixabay.
I sidstnævnte tilfælde siges materialet at have anisotropi. Og når ingen af retningene foretrækkes, betragtes materialet som isotropisk. Permeabiliteten af ethvert homogent medium kan udtrykkes som en funktion af permeabiliteten af vakuumet e eller ved udtrykket:
ε = κε eller
Hvor κ er den relative permeabilitet for materialet, også kaldet dielektrisk konstant, en dimensieløs mængde, der er bestemt eksperimentelt for mange materialer. En måde at udføre denne måling på vil blive forklaret senere.
Dielektrik og kondensatorer
En dielektrik er et materiale, der ikke leder elektricitet godt, så det kan bruges som isolator. Dette forhindrer dog ikke, at materialet kan reagere på et eksternt elektrisk felt og skabe sit eget.
I det følgende analyserer vi responsen fra isotrope dielektriske materialer såsom glas, voks, papir, porcelæn og nogle fedtstoffer, der ofte bruges i elektronik.
Et elektrisk felt, der er eksternt til dielektrikken, kan skabes mellem to metalliske plader i en flad parallel pladekondensator.
Dielektrik mangler i modsætning til ledere som kobber frie afgifter, der kan bevæge sig inden i materialet. Deres bestanddelsmolekyler er elektrisk neutrale, men ladninger kan ændre sig lidt. På denne måde kan de modelleres som elektriske dipoler.
En dipol er elektrisk neutral, men den positive ladning er en lille afstand væk fra den negative ladning. Inden for det dielektriske materiale og i fravær af et eksternt elektrisk felt er dipolerne sædvanligvis tilfældigt fordelt, som vist i figur 2.
Figur 2. I et dielektrisk materiale orienteres dipolerne tilfældigt. Kilde: self made.
Dielektrisk i et eksternt elektrisk felt
Når dielektrikum introduceres i midten af et eksternt felt, for eksempel det, der er oprettet i to ledende ark, organiseres dipolerne, og ladningerne adskilles, hvilket skaber et internt elektrisk felt i materialet i modsat retning af det ydre felt..
Når denne forskydning finder sted, siges materialet at være polariseret.
Figur 3. Polariseret dielektrisk materiale. Kilde: self made.
Denne inducerede polarisering får nettet eller det resulterende elektriske felt E til at falde, en virkning vist i figur 3, da det ydre felt og det indre felt genereret af nævnte polarisering har den samme retning, men modsatte retninger. Størrelsen af E er givet af:
Det ydre felt gennemgår en reduktion takket være samspillet med materialet i en faktor kaldet κ eller dielektrisk konstant af materialet, en makroskopisk egenskab af det samme. Med hensyn til denne mængde er det resulterende felt eller nettofeltet:
Den dielektriske konstante κ er den relative permittivitet for materialet, en dimensionsfri mængde altid større end 1 og lig med 1 i vakuum.
Enten ε = κε eller som beskrevet i begyndelsen. Enhederne i ε er de samme som dem af ε o: C 2 / Nm 2 eller F / m.
Måling af elektrisk permittivitet
Virkningen af at indsætte et dielektrikum mellem pladerne i en kondensator er at tillade et lager af yderligere ladninger, det vil sige en kapacitetsforøgelse. Denne kendsgerning blev opdaget af Michael Faraday i det 19. århundrede.
Det er muligt at måle dielektrisk konstant for et materiale ved hjælp af en parallel flad pladekondensator som følger: når der kun er luft mellem pladerne, kan det vises, at kapaciteten er givet ved:
Hvor C o er kondensatorens kapacitans, er A området for pladerne, og d er afstanden mellem dem. Men ved indsættelse af et dielektrikum øges kapaciteten med en faktor,, som det ses i det foregående afsnit, og derefter er den nye kapacitet C proportional med originalen:
C = κε eller. A / d = ε. A / d
Forholdet mellem den endelige og indledende kapacitet er materialets dielektriske konstant eller relativ permittivitet:
K = C / C eller
Og det absolutte elektriske permittivitet for det pågældende materiale er kendt gennem:
ε = ε o. (C / C o)
Målinger kan let udføres, hvis du har en multimeter, der er i stand til at måle kapacitans. Et alternativ er at måle spændingen Vo mellem pladerne i kondensatoren uden dielektrisk og isoleret fra kilden. Derefter indføres dielektrikum, og der observeres et fald i spænding, hvis værdi vil være V.
Derefter κ = V eller / V
Eksperiment til at måle den elektriske permittivitet for luft
-materialer
- Justerbar afstand parallelt med flad pladekondensator.
- Mikrometrisk eller vernier skrue.
- Multimeter, der har funktionen til at måle kapacitet.
- Grafpapir.
-Behandle
- Vælg en adskillelse d mellem kondensatorpladerne og med hjælp af multimeteret måle kapaciteten C o. Registrer dataparet i en værdistabel.
- Gentag ovennævnte procedure for mindst 5 pladeseparationer.
- Find kvoten (A / d) for hver af de målte afstande.
- Takket være udtrykket C o = ε o. A / d er det kendt, at C0 er proportional med kvoten (A / d). Plot hver værdi af C eller dens respektive A / d- værdi på grafpapir.
- Visuelt juster den bedste linje og bestem dets hældning. Eller find skråningen ved hjælp af lineær regression. Værdien af skråningen er luftens permittivitet.
Vigtig
Afstanden mellem pladerne bør ikke overstige ca. 2 mm, da ligningen for kapacitansen for den parallelle flade pladekondensator antager uendelige plader. Dette er imidlertid en forholdsvis god tilnærmelse, da siden af pladerne altid er meget større end adskillelsen mellem dem.
I dette eksperiment bestemmes luftens permittivitet, som er temmelig tæt på et vakuum. Den dielektriske vakuumkonstant er K = 1, medens den for tør luft er K = 1.00059.
Referencer
- Dielektrisk. Dielektrisk konstant. Gendannes fra: elektriker.cl.
- Figueroa, Douglas. 2007. Fysikserie for videnskab og teknik. Volumen 5 Elektrisk interaktion. 2nd. Edition. 213-215.
- Laboratori d'Electricitat i Magnetisme (UPC). Relativ tilladelse for et materiale. Gendannes fra: elaula.es.
- Monge, M. Dielectrics. Elektrostatisk felt. Universitet Carlos III i Madrid. Gendannes fra: ocw.uc3m.es.
- Sears, Zemansky. 2016. Universitetsfysik med moderne fysik. 14 th. Udgave 797-806.