- Dielektrikot ja kondensaattorit
- Dielektrinen ulkoisessa sähkökentässä
- Sähköläpäisykyvyn mittaus
- Koe ilman sähköisen passitiivisuuden mittaamiseksi
- -Materials
- -Prosessi
- Tärkeä
- Viitteet
Sähköinen permittiivisyys on parametri, joka määrällisesti vastetta väliaineessa sähkökentän. Sitä merkitään kreikkalaisella kirjaimella ε, ja sen arvo tyhjölle, jota käytetään referenssinä muille väliaineille, on seuraava: ε o = 8,8541878176 x 10 -12 C 2 / Nm 2
Väliaineen luonne antaa sille erityisen vastauksen sähkökenttiin. Tällä tavalla lämpötila, kosteus, molekyylipaino, ainesosan molekyylien geometria, mekaaniset rasitukset vaikuttavat sisätilaan tai että avaruudessa on jokin suositeltava suunta, jossa kentän olemassaolo helpottuu.
Kuva 1. Ilma tulee johtavaksi tietyn jännitteen yläpuolella. Lähde: Pixabay.
Jälkimmäisessä tapauksessa materiaalilla sanotaan olevan anisotropiaa. Ja kun kumpikaan suunta ei ole ensisijainen, materiaalia pidetään isotrooppisena. Minkä tahansa homogeenisen väliaineen läpäisevyys voidaan ilmaista alipaineen ε läpäisevyyden funktiona tai lausekkeella:
ε = κε tai
Missä κ on materiaalin suhteellinen läpäisevyys, jota kutsutaan myös dielektriseksi vakiona, mitaton määrä, joka on määritetty kokeellisesti monille materiaaleille. Tapa suorittaa tämä mittaus selitetään myöhemmin.
Dielektrikot ja kondensaattorit
Eriste on materiaali, joka ei johda sähköä hyvin, joten sitä voidaan käyttää eristeenä. Tämä ei kuitenkaan estä materiaalia kykenemästä reagoimaan ulkoiseen sähkökenttään luomalla oma.
Seuraavassa analysoidaan isotrooppisten dielektristen materiaalien, kuten lasin, vahan, paperin, posliinin ja joidenkin elektroniikassa yleisesti käytettyjen rasvojen, reaktio.
Dielektrisen laitteen ulkopuolinen sähkökenttä voidaan luoda tasaisen rinnakkaislevykondensaattorin kahden metallilevyn väliin.
Dielektrikosta, toisin kuin johtimissa, kuten kuparissa, puuttuu ilmaisia varauksia, jotka voivat liikkua materiaalin sisällä. Niiden muodostamat molekyylit ovat sähköisesti neutraaleja, mutta varaukset voivat siirtyä hiukan. Tällä tavalla ne voidaan mallintaa sähköisiksi dipoleiksi.
Dipoli on sähköisesti neutraali, mutta positiivinen varaus on pieni etäisyys negatiivisesta varauksesta. Dielektrisen materiaalin sisällä ja ulkoisen sähkökentän puuttuessa dipolit jakautuvat yleensä satunnaisesti, kuten kuvassa 2 esitetään.
Kuva 2. Dielektrisessä materiaalissa dipolit on suunnattu satunnaisesti. Lähde: itse tehty.
Dielektrinen ulkoisessa sähkökentässä
Kun dielektrisyys johdetaan ulkoisen kentän keskelle, esimerkiksi sellaisen, joka on luotu kahden johtavan levyn sisäpuolelle, dipolit järjestäytyvät ja varaukset erottuvat, muodostaen materiaaliin sisäisen sähkökentän vastakkaiseen suuntaan kuin ulkoinen kenttä..
Kun tämä siirtymä tapahtuu, materiaalin sanotaan olevan polarisoitunut.
Kuva 3. Polarisoitu dielektrinen materiaali. Lähde: itse tehty.
Tämä indusoitu polarisaatio saa aikaan netto- tai tuloksena olevan sähkökentän E pienenemisen, kuviossa 3 esitetyn vaikutuksen, koska mainitun polarisaation tuottamalla ulkoisella kentällä ja sisäisellä kentällä on sama suunta, mutta vastakkaiset suunnat. E: n suuruus saadaan:
Ulkoinen kenttä kokee pelkistymisen vuorovaikutuksen kanssa materiaalin kanssa tekijässä, jota kutsutaan materiaaliksi κ tai materiaalin dielektriseksi vakiona, mikä on saman makroskooppinen ominaisuus. Tämän määrän suhteen tuloksena oleva tai nettokenttä on:
Dielektrisyysvakio κ on materiaalin suhteellinen sallittuvuus, mitaton määrä, joka on aina suurempi kuin 1 ja yhtä suuri kuin 1 tyhjössä.
Joko ε = κε tai kuten alussa on kuvattu. Yksiköt ε ovat samat kuin ε o: C 2 / Nm 2 tai F / m.
Sähköläpäisykyvyn mittaus
Eristäjän asettaminen kondensaattorin levyjen väliin sallii lisävarausten varastoinnin, toisin sanoen kapasiteetin lisääntymisen. Michael Faraday löysi tämän tosiasian 1800-luvulla.
Materiaalin dielektrisyysvakio on mahdollista mitata tasaisella yhdensuuntaisella levykondensaattorilla seuraavalla tavalla: kun levyjen välillä on vain ilmaa, voidaan osoittaa, että kapasiteetti saadaan:
Kun C o on kondensaattorin kapasitanssi, A on levyjen pinta-ala ja d on niiden välinen etäisyys. Mutta lisättäessä dielektristä kapasiteetti kasvaa kertoimella κ, kuten edellisessä osassa todettiin, ja sitten uusi kapasiteetti C on verrannollinen alkuperäiseen:
C = κε tai. A / d = ε. A / d
Lopullisen ja alkuperäisen kapasiteetin välinen suhde on materiaalin dielektrisyysvakio tai suhteellinen sallittuvuus:
K = C / C tai
Ja kyseisen materiaalin absoluuttinen sähköinen läpäisykyky tunnetaan:
ε = ε o. (C / C o)
Mittaukset voidaan suorittaa helposti, jos sinulla on yleismittari, joka pystyy mittaamaan kapasitanssin. Vaihtoehto on mitata jännite Vo kondensaattorin levyjen välillä ilman dielektristä ja lähteestä eristettyä. Sitten dielektrisyys johdetaan ja jännitteen lasku havaitaan, jonka arvo on V.
Sitten κ = V tai / V
Koe ilman sähköisen passitiivisuuden mittaamiseksi
-Materials
- Säädettävä etäisyys yhdensuuntaisesta litteästä lauhduttimesta.
- Mikrometrinen tai vernier-ruuvi.
- Yleismittari, jonka tehtävänä on mitata kapasiteettia.
- Ruutupaperi.
-Prosessi
- Valitse erottelu d kondensaattorilevyjen välillä ja mittaa yleismittarin avulla kapasiteetti C o. Tallenna datapari arvotaulukkoon.
- Toista yllä oleva menettely vähintään 5 levyn erotusta varten.
- Löydä osamäärä (A / d) jokaiselle mitatulle etäisyydelle.
- Lausekkeen C o = ε o ansiosta. A / d on tunnettua, että C o on verrannollinen osamäärä (A / d). Piirrä jokainen C-arvo tai sen vastaava A / d- arvo graafiselle paperille.
- Säädä silmämääräisesti paras viiva ja määritä sen kaltevuus. Tai etsi kaltevuus lineaarisella regressiolla. Kaltevuuden arvo on ilman kulkeutuvuus.
Tärkeä
Levyjen välinen etäisyys ei saisi olla suurempi kuin noin 2 mm, koska yhdensuuntaisen litteän levykondensaattorin kapasitanssin yhtälössä oletetaan äärettömät levyt. Tämä on kuitenkin melko hyvä arvio, koska levyjen sivu on aina paljon suurempi kuin niiden välinen etäisyys.
Tässä kokeessa määritetään ilman lubavuus, joka on melko lähellä tyhjiön omaa. Tyhjiön dielektrinen vakio on κ = 1, kun taas kuiva ilma on κ = 1.00059.
Viitteet
- Eristeessä. Dielektrisyysvakio. Palautettu: electricistas.cl.
- Figueroa, Douglas. 2007. Fysiikan sarja tieteelle ja tekniikalle. Osa 5: Sähköinen vuorovaikutus. 2nd. Painos. 213-215.
- Laboratori d'Electricitat i Magnetisme (UPC). Materiaalin suhteellinen sallivuus. Palautettu: elaula.es.
- Monge, M. Dielectrics. Sähköstaattinen kenttä. Madridin yliopisto Carlos III. Palautettu: ocw.uc3m.es.
- Sears, Zemansky. 2016. Yliopistofysiikka modernin fysiikan kanssa. 14 th. Toim. 797 - 806.