KAJ JE ELEKTRIČNA DOVOLJENOST? (Z EKSPERIMENTOM) - FIZIČNO - 2026

Električni dielektričnost je parameter, ki opredeli odziva mediju v prisotnosti električnega polja. Označena je z grško črko ε in njena vrednost za vakuum, ki služi kot referenca za druge medije, je naslednja: ε _o = 8.8541878176 x 10 ^-12 C ² / Nm ²

Narava medija daje poseben odziv na električna polja. Na ta način vplivajo temperatura, vlaga, molekulska masa, geometrija sestavnih molekul, mehanske napetosti v notranjosti ali da obstaja neka prednostna smer v prostoru, v katerem je olajšan obstoj polja.

Slika 1. Zrak postane prevoden nad določeno napetostjo. Vir: Pixabay.

V slednjem primeru naj bi material imel anizotropijo. In kadar nobena smer ni prednostna, se material šteje za izotropno. Prepustnost katerega koli homogenega medija se lahko izrazi kot funkcija prepustnosti vakuuma ε _ali z izrazom:

ε = κε _ali

Kjer je κ relativna prepustnost materiala, imenovana tudi dielektrična konstanta, brezdimenzijska količina, ki je bila eksperimentalno določena za številne materiale. Način za izvedbo te meritve bo pojasnjen pozneje.

Dielektriki in kondenzatorji

Dielektrični material je material, ki ne vodi dobro električne energije, zato ga je mogoče uporabiti kot izolator. Vendar to ne preprečuje, da bi se material lahko odzval na zunanje električno polje in ustvaril svoje.

V nadaljevanju bomo analizirali odziv izotropnih dielektričnih materialov, kot so steklo, vosek, papir, porcelan in nekatere maščobe, ki se običajno uporabljajo v elektroniki.

Med dvema kovinskima ploskvama ploščatega kondenzatorja plošče se lahko ustvari električno polje zunaj dielektrika.

Dielektriki, za razliko od prevodnikov, kot je baker, nimajo prostih nabojev, ki bi se lahko gibali znotraj materiala. Njihove sestavne molekule so električno nevtralne, vendar se naboji lahko nekoliko premikajo. Na ta način jih je mogoče modelirati kot električne dipole.

Dipol je električno nevtralen, pozitiven naboj pa je oddaljen od negativnega naboja. Znotraj dielektričnega materiala in v odsotnosti zunanjega električnega polja so dipoli običajno naključno razporejeni, kot je prikazano na sliki 2.

Slika 2. V dielektričnem materialu so dipoli usmerjeni naključno. Vir: self made.

Dielektrična v zunanjem električnem polju

Ko se dielektrik vstavi sredi zunanjega polja, na primer tistega, ki je ustvarjen znotraj dveh prevodnih listov, se dipoli reorganizirajo, naboji pa se ločijo, tako da ustvari notranje električno polje v materialu v nasprotni smeri od zunanjega polja. .

Ko pride do tega premika, naj bi bil material polariziran.

Slika 3. Polarizirani dielektrični material. Vir: self made.

Ta inducirana polarizacija povzroči zmanjšanje neto ali posledičnega električnega polja E, učinek, prikazan na sliki 3, saj imata zunanje in notranje polje, ki ga ustvarja omenjena polarizacija, isto smer, vendar v nasprotni smeri. Velikost E je podana z:

Zunanje polje se zmanjša zaradi zahvale interakcije z materialom v faktorju, imenovanem κ ali dielektrična konstanta materiala, kar je makroskopska lastnost istega. Glede na to količino je dobljeno ali neto polje naslednje:

Dielektrična konstanta κ je relativna dovoljena moč materiala, brezdimenzionalna količina, vedno večja od 1 in enaka 1 v vakuumu.

Bodisi ε = κε _ali kot je opisano na začetku. Enote ε so enake enotam ε _o : C ² / Nm ² ali F / m.

Merjenje električne dovoljenosti

Učinek vstavljanja dielektrika med plošče kondenzatorja je omogočiti shranjevanje dodatnih nabojev, to je povečanje zmogljivosti. To dejstvo je odkril Michael Faraday v 19. stoletju.

Dielektrično konstanto materiala je mogoče izmeriti z ravnim kondenzatorjem vzporedne plošče na naslednji način: kadar je med ploščami samo zrak, se lahko pokaže, da je zmogljivost dana:

Kjer je C _o kapacitivnost kondenzatorja, je A površina plošč in d je razdalja med njimi. Toda pri vstavljanju dielektrika se zmogljivost poveča za faktor κ, kot je razvidno iz prejšnjega oddelka, nato pa je nova zmogljivost C sorazmerna z originalno:

C = κε _ali . A / d = ε. A / d

Razmerje med končno in začetno kapaciteto je dielektrična konstanta materiala ali relativna propustnost:

κ = C / C _ali

A absolutna električna dovoljenost zadevnega materiala je znana skozi:

ε = ε _o . (C / C _o )

Meritve je mogoče enostavno izvesti, če imate multimeter, ki lahko meri kapacitivnost. Druga možnost je merjenje napetosti Vo med ploščami kondenzatorja brez dielektrika in izolirano od vira. Nato se vstavi dielektrik in opazimo padec napetosti, katere vrednost bo V.

Potem je κ = V _ali / V

Preizkusite za merjenje električne dovoljenosti zraka

-Materiali

- Kondenzator paralelne ploščate plošče z nastavljivim razmikom.

- Mikrometrični ali vernier vijak.

- Multimeter, ki ima funkcijo merjenja zmogljivosti.

- Grafični papir.

-Proces

- Izberite ločitev d med ploščama kondenzatorja in s pomočjo multimetra izmerite kapaciteto C _o . Zapišite podatkovni par v tabelo vrednosti.

- Ponovite zgornji postopek za vsaj 5 ločitev plošč.

- Poiščite količnik (A / d) za vsako izmerjeno razdaljo.

- Zahvaljujoč izrazu C _o = ε _o . A / d Znano je, da je C _o sorazmeren s količnikom (A / d). Vsako vrednost C _ali ustrezno vrednost A / d narišite na grafični papir .

- Vizualno prilagodite najboljšo črto in določite njen naklon. Ali poiščite nagib s pomočjo linearne regresije. Vrednost naklona je dovoljena količina zraka.

Pomembno

Razmik med ploščami ne sme presegati približno 2 mm, saj enačba kapacitivnosti vzporednega kondenzatorja ploščatih plošč prevzame neskončne plošče. Vendar je to precej dober približek, saj je stran plošč vedno veliko večja od ločitve med njimi.

V tem poskusu se določi dovoljenje zraka, kar je precej blizu vakuuma. Dielektrična konstanta vakuuma je κ = 1, medtem ko je suhi zrak κ = 1.00059.

Reference

1. Dielektrična. Dielektrična konstanta. Pridobljeno od: elektrika.s.l.
2. Figueroa, Douglas. 2007. Serija fizika za znanost in inženiring. Zvezek 5 Električna interakcija. 2. Izdaja. 213-215.
3. Laboratorij d'Electricitat in Magnetisme (UPC). Relativna permisivnost materiala. Pridobljeno: elaula.es.
4. Monge, M. Dielectrics. Elektrostatično polje. Univerza Carlos III iz Madrida. Pridobljeno: ocw.uc3m.es.
5. Sears, Zemanski. 2016. Univerzitetna fizika s sodobno fiziko. 14. ^st . Ed. 797–806.