ŠTO JE ELEKTRIČNA DOZVOLA? (S EKSPERIMENTOM) - FIZIČKA - 2024

Električna permitivnost je parametar koji kvantificira odgovor mediju u prisutnosti električnog polja. Označeno je grčkim slovom ε, a vrijednost vakuuma, koja služi kao referenca za ostale medije, je sljedeća: ε _o = 8.8541878176 x 10 ^-12 C ² / Nm ²

Priroda medija daje mu poseban odgovor na električna polja. Na taj način temperatura, vlaga, molekularna težina, geometrija sastavnih molekula, mehanička naprezanja utječu na unutrašnjost ili da postoji neki preferencijalni smjer u prostoru u kojem je olakšano postojanje polja.

Slika 1. Zrak postaje provodljiv iznad određenog napona. Izvor: Pixabay.

U potonjem slučaju, kaže se da materijal ima anizotropiju. A kad niti jedan smjer nije preferiran, materijal se smatra izotropnim. Propusnost bilo kojeg homogenog medija može se izraziti funkcijom propusnosti vakuuma ε _ili izrazom:

ε = κε _ili

Gdje je κ relativna propusnost materijala, koja se naziva i dielektrična konstanta, bezdimenzionalna količina koja je eksperimentalno određena za mnoge materijale. Način provođenja ovog mjerenja bit će objasnjen naknadno.

Dielektrika i kondenzatori

Dielektrik je materijal koji ne provodi električnu energiju, pa se može koristiti kao izolator. Međutim, to ne sprečava materijal da može reagirati na vanjsko električno polje, stvarajući svoje.

U nastavku ćemo analizirati reakciju izotropnih dielektričnih materijala kao što su staklo, vosak, papir, porculan i neke masti koje se obično koriste u elektronici.

Između dva metalna lima ravnog paralelnog kondenzatora ploče može se stvoriti električno polje vanjsko dielektričnom.

Za dielektrike, za razliku od vodiča poput bakra, nema besplatnih naboja koji se mogu kretati unutar materijala. Njihove sastavne molekule su električno neutralne, ali naboji se mogu malo pomaknuti. Na taj se način mogu modelirati kao električni dipoli.

Dipol je električno neutralan, ali pozitivno naelektrisanje malo je udaljeno od negativnog naboja. Unutar dielektričnog materijala i u nedostatku vanjskog električnog polja, dipoli su obično nasumično raspoređeni, kao što je prikazano na slici 2.

Slika 2. U dielektričnom materijalu su dipoli usmjereni nasumično. Izvor: self made.

Dielektrika u vanjskom električnom polju

Kad se dielektrik uvodi u sredinu vanjskog polja, na primjer onog stvorenog unutar dva vodljiva lima, dipoli se reorganiziraju, a naboji razdvajaju, stvarajući unutarnje električno polje u materijalu u suprotnom smjeru od vanjskog polja.,

Kada dođe do ovog pomaka, za materijal se kaže da je polariziran.

Slika 3. Polarizirani dielektrični materijal. Izvor: self made.

Ova inducirana polarizacija uzrokuje smanjenje mrežnog ili rezultirajućeg električnog polja E, efekt prikazan na slici 3, jer vanjsko i unutarnje polje nastalo spomenutom polarizacijom imaju isti smjer, ali suprotne smjerove. Jačina E je dana:

Vanjsko polje se smanjuje zahvaljujući interakciji s materijalom u faktoru zvanom κ ili dielektrična konstanta materijala, što je makroskopsko svojstvo istog. U pogledu ove količine, dobiveno ili neto polje je:

Dielektrična konstanta κ relativna je propusnost materijala, bezdimenzionalna količina uvijek veća od 1 i jednaka 1 u vakuumu.

Ili ε = κε _ili kako je opisano na početku. Jedinice eAEEA su isti kao i oni od ε _o: C ² / Nm ² ili F / m.

Mjerenje električne propusnosti

Učinak umetanja dielektrika između ploča kondenzatora omogućuje pohranjivanje dodatnih naboja, odnosno povećanje kapaciteta. Tu je činjenicu otkrio Michael Faraday u 19. stoljeću.

Moguće je izmjeriti dielektričnu konstantu materijala koristeći ravni kondenzator paralelne ploče na sljedeći način: kada između ploča postoji samo zrak, može se pokazati da je kapacitet dan pomoću:

Gdje je C _o kapacitet kondenzatora, A je površina ploča, a d je udaljenost između njih. No, kad umetnete dielektrik, kapacitet se povećava za faktor κ, kao što je vidljivo u prethodnom odjeljku, i tada je novi kapacitet C proporcionalan izvornom:

C = κε _ili. A / d = ε. A / d

Omjer krajnjeg i početnog kapaciteta je dielektrična konstanta materijala ili relativna propusnost:

κ = C / C _ili

A apsolutna električna propusnost materijala o kojemu je riječ poznata je kroz:

ε = ε _o. (C / C _o)

Mjerenja se mogu lako izvršiti ako imate multimetar koji može mjeriti kapacitet. Alternativa je mjerenje napona Vo između ploča kondenzatora bez dielektrika i izolirane od izvora. Tada se uvodi dielektric i opaža pad napona, čija će vrijednost biti V.

Tada je κ = V _ili / V

Eksperimentirajte za mjerenje električne propusnosti zraka

-Materials

- Podesivi razmak paralelni kondenzator plosnate ploče.

- Mikrometrijski ili vernier vijak.

- Multimetar koji ima funkciju mjerenja kapaciteta.

- Grafički papir.

-Postupak

- Odaberite razdvajanje d između ploča kondenzatora i uz pomoć multimetra izmjerite kapacitet C _o. Zapišite podatkovni par u tablicu vrijednosti.

- Ponovite gornji postupak za najmanje 5 odvajanja ploča.

- Pronađite kvocijent (A / d) za svaku izmjerenu udaljenost.

- Zahvaljujući izrazu C _o = ε _o. A / d je poznato da je C _o proporcionalan kvocijentu (A / d). Na graf papiru iscrtajte svaku vrijednost C _ili odgovarajuću A / d vrijednost.

- Vizualno podesite najbolju liniju i odredite njezin nagib. Ili pronađite nagib pomoću linearne regresije. Vrijednost nagiba je propusnost zraka.

Važno

Razmak između ploča ne smije biti veći od oko 2 mm, jer jednadžba za kapacitet paralelnog kondenzatora ravne ploče pretpostavlja beskonačne ploče. Međutim, ovo je prilično dobra aproksimacija, jer je strana ploča uvijek puno veća od razdvajanja među njima.

U ovom se eksperimentu utvrđuje propusnost zraka koja je prilično bliska vakuumu. Dielektrična konstanta vakuuma je κ = 1, dok je suha zraka κ = 1.00059.

Reference

1. Dielektrik. Dielektrična konstanta. Oporavak od: električnih.s.l.
2. Figueroa, Douglas. 2007. Fizička serija za znanost i inženjerstvo. Svezak 5 Električna interakcija. 2.. Izdanje. 213-215.
3. Laboratorij d'Electricitat i Magnetisme (UPC). Relativna permitivnost materijala. Oporavak od: elaula.es.
4. Monge, M. Dielectrics. Elektrostatičko polje. Sveučilište Carlos III iz Madrida. Oporavak od: ocw.uc3m.es.
5. Sears, Zemanski. 2016. Sveučilišna fizika s modernom fizikom. 14. ^st. Ed. 797-806.