- Dielectrice și condensatoare
- Dielectric într-un câmp electric extern
- Măsurarea permisivității electrice
- Experiment pentru măsurarea permisivității electrice a aerului
- -materiale
- -Proces
- Important
- Referințe
Permitivitatea electrică este parametrul care cuantifică răspunsul unui mediu în prezența unui câmp electric. Se notează cu litera greacă ε, iar valoarea sa pentru vid, care servește ca referință pentru celelalte medii, este următoarea: ε o = 8.8541878176 x 10 -12 C 2 / Nm 2
Natura mediului îi oferă un răspuns deosebit la câmpurile electrice. În acest fel, temperatura, umiditatea, greutatea moleculară, geometria moleculelor constitutive, tensiunile mecanice influențează interiorul sau există o direcție preferențială în spațiu în care este facilitată existența unui câmp.
Figura 1. Aerul devine conductor peste o anumită tensiune. Sursa: Pixabay.
În ultimul caz, se spune că materialul are anisotropie. Și atunci când nici o direcție nu este preferențială, materialul este considerat izotrop. Permeabilitatea oricărui mediu omogen poate fi exprimată în funcție de permeabilitatea vidului ε sau prin expresia:
ε = κε sau
Unde κ este permeabilitatea relativă a materialului, numită și constantă dielectrică, o cantitate fără dimensiuni care a fost determinată experimental pentru multe materiale. O modalitate de a efectua această măsurare va fi explicată mai târziu.
Dielectrice și condensatoare
Un dielectric este un material care nu conduce bine electricitatea, deci poate fi folosit ca izolator. Totuși, acest lucru nu împiedică materialul să poată răspunde la un câmp electric extern, creându-și propriul său.
În ceea ce urmează, vom analiza răspunsul materialelor dielectrice izotrope, cum ar fi sticla, ceara, hârtia, porțelanul și unele grăsimi care sunt utilizate frecvent în electronică.
Un câmp electric extern dielectricului poate fi creat între două foi metalice ale unui condensator cu placă paralelă.
Dielectricele, spre deosebire de conductoare precum cupru, nu au sarcini gratuite care se pot deplasa în material. Moleculele lor constitutive sunt neutre din punct de vedere electric, dar sarcinile se pot schimba ușor. În acest fel, ele pot fi modelate ca dipoli electrici.
Un dipol este neutru din punct de vedere electric, dar sarcina pozitivă este la o distanță mică de sarcina negativă. În materialul dielectric și în absența unui câmp electric extern, dipolii sunt de obicei distribuiți la întâmplare, așa cum se arată în figura 2.
Figura 2. Într-un material dielectric dipolii sunt orientați la întâmplare. Sursa: realizată de sine.
Dielectric într-un câmp electric extern
Când dielectricul este introdus în mijlocul unui câmp extern, de exemplu cel creat în două foi conductoare, dipolii se reorganizează și sarcinile se separă, creând un câmp electric intern în material în direcția opusă câmpului extern. .
Când se produce această deplasare, se spune că materialul este polarizat.
Figura 3. Materialul dielectric polarizat. Sursa: realizată de sine.
Această polarizare indusă determină scăderea câmpului electric net sau rezultat E, efect prezentat în figura 3, deoarece câmpul extern și câmpul intern generat de polarizarea menționată au aceeași direcție, dar direcții opuse. Mărimea E este dată de:
Câmpul extern suferă o reducere datorită interacțiunii cu materialul într-un factor numit κ sau constantă dielectrică a materialului, o proprietate macroscopică a acestuia. În ceea ce privește această cantitate, câmpul rezultat sau net este:
Constanța dielectrică κ este permisivitatea relativă a materialului, o cantitate fără dimensiuni întotdeauna mai mare de 1 și egală cu 1 în vid.
Fie ε = κε, fie descris la început. Unitățile din ε sunt identice cu cele ale lui ε o : C 2 / Nm 2 sau F / m.
Măsurarea permisivității electrice
Efectul introducerii unui dielectric între plăcile unui condensator este de a permite stocarea unor sarcini suplimentare, adică o creștere a capacității. Acest fapt a fost descoperit de Michael Faraday în secolul al XIX-lea.
Este posibilă măsurarea constantei dielectrice a unui material folosind un condensator placă paralelă în felul următor: când între plăci există doar aer, se poate demonstra că capacitatea este dată de:
Când C o este capacitatea condensatorului, A este aria plăcilor și d este distanța dintre ele. Dar atunci când introduceți un dielectric, capacitatea crește cu un factor κ, așa cum se vede în secțiunea anterioară, iar apoi noua capacitate C este proporțională cu originalul:
C = κε sau . A / d = ε. Anunț
Raportul dintre capacitatea finală și inițială este constanta dielectrică a materialului sau a permisivității relative:
κ = C / C sau
Iar permisiunea electrică absolută a materialului în cauză este cunoscută prin:
ε = ε o . (C / C o )
Măsurătorile pot fi efectuate cu ușurință dacă aveți un multimetru capabil să măsoare capacitatea. O alternativă este măsurarea tensiunii Vo între plăcile condensatorului fără dielectric și izolată de sursă. Apoi se introduce dielectricul și se observă o scădere a tensiunii, a cărei valoare va fi V.
Atunci κ = V sau / V
Experiment pentru măsurarea permisivității electrice a aerului
-materiale
- Condensator cu placă plană paralelă distanțabilă.
- Șurub micrometric sau vernier.
- Multimetru care are funcția de a măsura capacitatea.
- Hârtie milimetrică.
-Proces
- Alegeți o separare d între plăcile condensatorului și cu ajutorul multimetrului măsurați capacitatea C o . Înregistrați perechea de date într-un tabel de valori.
- Repetați procedura de mai sus pentru cel puțin 5 separații ale plăcilor.
- Găsiți coeficientul (A / d) pentru fiecare dintre distanțele măsurate.
- Mulțumesc expresiei C o = ε o . A / d se știe că C o este proporțională cu coeficientul (A / d). Diagramați fiecare valoare de C sau valoarea respectivă A / d pe hârtie grafică .
- Reglați vizual cea mai bună linie și determinați panta acesteia. Sau găsiți panta folosind regresia liniară. Valoarea pantei este permisiunea aerului.
Important
Distanța dintre plăci nu trebuie să depășească aproximativ 2 mm, deoarece ecuația pentru capacitanța condensatorului de plăci plane paralele presupune plăci infinite. Totuși, aceasta este o aproximare destul de bună, deoarece partea plăcilor este întotdeauna mult mai mare decât separarea dintre ele.
În acest experiment, este determinată permisibilitatea aerului, care este destul de aproape de cea a unui vid. Constanta dielectrica a vidului este κ = 1, în timp ce cea a aerului uscat este κ = 1.00059.
Referințe
- Dielectric. Constantă dielectrică. Recuperat de la: electricistas.cl.
- Figueroa, Douglas. 2007. Seria de fizică pentru știință și inginerie. Volumul 5 Interacțiune electrică. 2a. Ediție. 213-215.
- Laboratori d'Electricitat i Magnetisme (UPC). Permisivitatea relativă a unui material. Recuperat din: elaula.es.
- Monge, M. Dielectrics. Câmpul electrostatic. Universitatea Carlos III din Madrid. Recuperat din: ocw.uc3m.es.
- Sears, Zemansky. 2016. Universitatea de fizică cu fizică modernă. 14 a . Ed. 797-806.