CO TO JEST PRZENIKALNOŚĆ ELEKTRYCZNA? (Z EKSPERYMENTEM) - FIZYCZNY - 2025

Przenikalności elektrycznej jest parametrem, który określa reakcji środowisku, w obecności pola elektrycznego. Jest on oznaczony grecką literą ε, a jego wartość dla próżni, która służy jako odniesienie dla innych mediów, jest następująca: ε _o = 8,8541878176 x ^10-12 C ² / Nm ²

Charakter medium nadaje mu szczególną odpowiedź na pola elektryczne. W ten sposób temperatura, wilgotność, masa cząsteczkowa, geometria cząsteczek składowych, naprężenia mechaniczne wpływają na wnętrze lub istnieje preferencyjny kierunek w przestrzeni, w którym ułatwione jest istnienie pola.

Rysunek 1. Powietrze przewodzi powyżej określonego napięcia. Źródło: Pixabay.

W tym drugim przypadku mówi się, że materiał ma anizotropię. A gdy żaden z kierunków nie jest preferencyjny, materiał jest uważany za izotropowy. Przepuszczalność dowolnego jednorodnego ośrodka można wyrazić jako funkcję przepuszczalności próżni ε _lub wyrażeniem:

ε = κε _lub

Gdzie κ jest względną przepuszczalnością materiału, zwaną również stałą dielektryczną, jest to wielkość bezwymiarowa, która została określona eksperymentalnie dla wielu materiałów. Sposób przeprowadzenia tego pomiaru zostanie wyjaśniony później.

Dielektryki i kondensatory

Dielektryk to materiał, który nie przewodzi dobrze elektryczności, więc może służyć jako izolator. Nie przeszkadza to jednak, aby materiał był w stanie reagować na zewnętrzne pole elektryczne, tworząc własne.

W dalszej części przeanalizujemy reakcję izotropowych materiałów dielektrycznych, takich jak szkło, wosk, papier, porcelana i niektóre tłuszcze, które są powszechnie stosowane w elektronice.

Pole elektryczne na zewnątrz dielektryka może powstać pomiędzy dwoma metalowymi arkuszami płaskiego równoległego kondensatora płytowego.

Dielektryki, w przeciwieństwie do przewodników takich jak miedź, nie mają wolnych ładunków, które mogą poruszać się w materiale. Ich cząsteczki składowe są elektrycznie obojętne, ale ładunki mogą się nieznacznie zmieniać. W ten sposób można je zamodelować jako dipole elektryczne.

Dipol jest elektrycznie obojętny, ale ładunek dodatni znajduje się w niewielkiej odległości od ładunku ujemnego. W materiale dielektrycznym i przy braku zewnętrznego pola elektrycznego dipole są zwykle rozmieszczone losowo, jak pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2. W materiale dielektrycznym dipole są zorientowane losowo. Źródło: wykonane samodzielnie.

Dielektryk w zewnętrznym polu elektrycznym

Kiedy dielektryk jest wprowadzany w środku pola zewnętrznego, na przykład tego utworzonego wewnątrz dwóch arkuszy przewodzących, dipole reorganizują się i ładunki rozdzielają się, tworząc wewnętrzne pole elektryczne w materiale w kierunku przeciwnym do pola zewnętrznego. .

Kiedy następuje to przemieszczenie, mówi się, że materiał jest spolaryzowany.

Rysunek 3. Spolaryzowany materiał dielektryczny. Źródło: wykonane samodzielnie.

Ta indukowana polaryzacja powoduje zmniejszenie netto lub wynikowego pola elektrycznego E, efekt pokazany na fig. 3, ponieważ pole zewnętrzne i wewnętrzne wytwarzane przez wspomnianą polaryzację mają ten sam kierunek, ale przeciwne kierunki. Wielkość E jest określona wzorem:

Pole zewnętrzne ulega redukcji dzięki oddziaływaniu z materiałem na czynnik zwany κ lub stałą dielektryczną materiału, będącą makroskopową właściwością tego materiału. Pod względem tej ilości pole wynikowe lub netto to:

Stała dielektryczna κ to względna przenikalność elektryczna materiału, bezwymiarowa wielkość zawsze większa od 1 i równa 1 w próżni.

Albo ε = κε, _albo jak opisano na początku. Jednostki ε są takie same, jak jednostki ε _o : C ² / Nm ² lub F / m.

Pomiar przenikalności elektrycznej

Efektem wstawienia dielektryka pomiędzy płytki kondensatora jest umożliwienie magazynowania dodatkowych ładunków, czyli zwiększenie pojemności. Fakt ten odkrył Michael Faraday w XIX wieku.

Możliwe jest zmierzenie stałej dielektrycznej materiału za pomocą płaskiego równoległego kondensatora płytowego w następujący sposób: gdy między płytami jest tylko powietrze, można wykazać, że pojemność jest określona przez:

Gdzie C _o jest pojemnością kondensatora, A jest obszarem płytek, ad to odległość między nimi. Ale kiedy wkładamy dielektryk, pojemność wzrasta o współczynnik κ, jak widać w poprzedniej sekcji, a następnie nowa pojemność C jest proporcjonalna do oryginalnej:

C = κε _lub . A / d = ε. A / d

Stosunek pojemności końcowej do początkowej to stała dielektryczna materiału lub względna przenikalność:

κ = C / C _lub

Absolutną przenikalność elektryczną rozpatrywanego materiału jest znana poprzez:

ε = ε _o . (C / C _o )

Pomiary można łatwo przeprowadzić, jeśli masz multimetr zdolny do pomiaru pojemności. Alternatywą jest pomiar napięcia Vo między płytkami kondensatora bez dielektryka i odizolowanego od źródła. Następnie wprowadza się dielektryk i obserwuje się spadek napięcia, którego wartość wyniesie V.

Wtedy κ = V _lub / V

Eksperymentuj, aby zmierzyć przenikalność elektryczną powietrza

-Materiały

- Skraplacz z płaską płytą o regulowanym rozstawie równoległym.

- Śruba mikrometryczna lub noniuszowa.

- Multimetr z funkcją pomiaru pojemności.

- Papier milimetrowy.

-Proces

- Wybierz odstęp d między płytami kondensatora i za pomocą multimetru zmierz pojemność C _o . Zapisz parę danych w tabeli wartości.

- Powtórz powyższą procedurę dla co najmniej 5 separacji płytek.

- Znajdź iloraz (A / d) dla każdej z zmierzonych odległości.

- Dzięki wyrażeniu C _o = ε _o . A / d wiadomo, że C _o jest proporcjonalne do ilorazu (A / d). Wykreśl każdą wartość C _lub odpowiadającą jej wartość A / d na papierze milimetrowym .

- Wizualnie dostosuj najlepszą linię i określ jej nachylenie. Lub znajdź nachylenie za pomocą regresji liniowej. Wartość nachylenia to przenikalność powietrza.

Ważny

Odstęp między płytami nie powinien przekraczać około 2 mm, ponieważ równanie na pojemność równoległego płaskiego kondensatora zakłada nieskończone płytki. Jest to jednak dość dobre przybliżenie, ponieważ bok płyt jest zawsze znacznie większy niż odstęp między nimi.

W tym doświadczeniu określa się przenikalność powietrza, która jest bardzo zbliżona do próżni. Stała dielektryczna próżni wynosi κ = 1, a suchego powietrza κ = 100059.

Bibliografia

1. Dielektryk. Stała dielektryczna. Odzyskany z: electricistas.cl.
2. Figueroa, Douglas. 2007. Seria Physics for Science and Engineering. Tom 5 Interakcje elektryczne. 2nd. Wydanie. 213-215.
3. Laboratori d'Electricitat i Magnetisme (UPC). Względna przenikalność materiału. Odzyskany z: elaula.es.
4. Monge, M. Dielectrics. Pole elektrostatyczne. Uniwersytet Karola III w Madrycie. Odzyskany z: ocw.uc3m.es.
5. Sears, Zemansky. 2016. Fizyka uniwersytecka z fizyką współczesną. 14 ^tys . Wyd. 797-806.