КАКВО Е ЕЛЕКТРИЧЕСКА ПРОПУСКЛИВОСТ? (С ЕКСПЕРИМЕНТ) - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

На електрически проницаемост е параметър, който определя количествено реакцията на среда, в присъствието на електрическо поле. Тя се обозначава с гръцката буква ε и нейната стойност за вакуум, която служи за ориентир за другите среди, е следната: ε _o = 8.8541878176 x 10 ^-12 C ² / Nm ²

Характерът на средата му дава особен отговор на електрическите полета. По този начин температурата, влажността, молекулното тегло, геометрията на съставните молекули, механичните напрежения влияят на вътрешността или че има някаква преференциална посока в пространството, в която се улеснява съществуването на поле.

Фигура 1. Въздухът става проводим над определено напрежение. Източник: Pixabay

В последния случай се казва, че материалът има анизотропия. И когато нито една посока не е за предпочитане, материалът се счита за изотропен. Проницаемостта на всяка хомогенна среда може да бъде изразена като функция от проницаемостта на вакуума ε _или чрез израза:

ε = κε _или

Когато κ е относителната пропускливост на материала, наричана още диелектрична константа, безразмерно количество, което е определено експериментално за много материали. Начин за извършване на това измерване ще бъде обяснен по-късно.

Диелектрици и кондензатори

Диелектрикът е материал, който не провежда добре електричеството, така че може да се използва като изолатор. Това обаче не пречи на материала да може да реагира на външно електрическо поле, създавайки свое собствено.

По-нататък ще анализираме реакцията на изотропните диелектрични материали като стъкло, восък, хартия, порцелан и някои мазнини, които обикновено се използват в електрониката.

Между две метални листове на плосък кондензатор с плосък паралел може да се създаде електрическо поле, външно спрямо диелектрика.

Диелектриците, за разлика от проводниците като мед, нямат безплатни заряди, които да се движат в материала. Съставните им молекули са електрически неутрални, но зарежданията могат леко да се изместват. По този начин те могат да бъдат моделирани като електрически диполи.

Диполът е електрически неутрален, но положителният заряд е на малко разстояние от отрицателния заряд. В диелектричния материал и при липса на външно електрическо поле диполите обикновено са разпределени на случаен принцип, както е показано на фигура 2.

Фигура 2. В диелектричен материал диполите са ориентирани произволно. Източник: самостоятелно направен.

Диелектрик във външно електрическо поле

Когато диелектрикът се въведе в средата на външно поле, например това, създадено вътре в два проводящи листа, диполите се реорганизират и зарядите се разделят, създавайки вътрешно електрическо поле в материала в обратна посока спрямо външното поле.,

Когато се случи това изместване, се казва, че материалът е поляризиран.

Фигура 3. Поляризиран диелектричен материал. Източник: самостоятелно направен.

Тази индуцирана поляризация води до намаляване на мрежата или полученото електрическо поле Е, ефект, показан на фигура 3, тъй като външното и вътрешното поле, генерирани от споменатата поляризация, имат еднаква посока, но противоположни посоки. Величината на E се определя от:

Външното поле претърпява редукция благодарение на взаимодействието с материала във фактор, наречен κ или диелектрична константа на материала, макроскопично свойство на същото. По отношение на това количество, полученото или нетното поле е:

Диелектричната константа κ е относителната пропускливост на материала, безразмерно количество, винаги по-голямо от 1 и равно на 1 във вакуум.

Или ε = κε, _или както е описано в началото. Единиците на ε са същите като тези на ε _o: C ² / Nm ² или F / m.

Измерване на електрическа пропускливост

Ефектът от поставянето на диелектрик между плочите на кондензатора е да се позволи съхранение на допълнителни заряди, тоест увеличаване на капацитета. Този факт е открит от Майкъл Фарадей през 19 век.

Възможно е да се измери диелектричната константа на материал, като се използва плосък успореден кондензатор на плочата по следния начин: когато между плочите има само въздух, може да се покаже, че капацитетът се дава от:

Където C _o е капацитетът на кондензатора, A е площта на плочите и d е разстоянието между тях. Но когато поставите диелектрик, капацитетът се увеличава с коефициент κ, както се вижда в предишния раздел, и тогава новият капацитет C е пропорционален на оригинала:

C = κε _или. A / d = ε. A / d

Съотношението между крайния и първоначалния капацитет е диелектричната константа на материала или относителната пропускливост:

κ = С / С _или

А абсолютната електрическа пропускливост на въпросния материал е известна чрез:

ε = ε _o. (C / C _o)

Измерванията могат лесно да се извършват, ако имате мултицет, способен да измерва капацитет. Алтернатива е измерването на напрежението Vo между плочите на кондензатора без диелектрик и изолирани от източника. Тогава се въвежда диелектрикът и се наблюдава намаляване на напрежението, чиято стойност ще бъде V.

Тогава κ = V _или / V

Експериментирайте за измерване на електрическата пропускливост на въздуха

-Materials

- Регулиране на разстоянието паралелен плосък кондензатор.

- Микрометричен или верниев винт.

- Мултицет, който има функцията за измерване на капацитета.

- Графична хартия.

-Process

- Изберете разделяне d между плочите на кондензатора и с помощта на мултицет измервайте капацитета C _o. Запишете двойката данни в таблица със стойности.

- Повторете горната процедура за поне 5 разделяния на плочата.

- Намерете коефициента (A / d) за всяко измерено разстояние.

- Благодарение на израза C _o = ε _o. A / d е известно, че C _o е пропорционален на коефициента (A / d). Начертайте всяка стойност на C _или съответната A / d стойност на графична хартия.

- Настройте визуално най-добрата линия и определете нейния наклон. Или намерете наклона с помощта на линейна регресия. Стойността на наклона е пропускливостта на въздуха.

важно

Разстоянието между плочите не трябва да надвишава около 2 mm, тъй като уравнението за капацитета на паралелния плосък кондензатор на плоскостта приема безкрайност на плочите. Това обаче е доста добро приближение, тъй като страната на плочите винаги е много по-голяма от разстоянието между тях.

В този експеримент се определя пропускливостта на въздуха, която е доста близка до тази на вакуум. Диелектричната константа на вакуума е κ = 1, докато тази на сух въздух е κ = 1.00059.

Препратки

1. Диелектрична. Диелектрична константа. Възстановен от: electricistas.cl.
2. Фигероа, Дъглас. 2007. Физика серия за наука и инженерство. Том 5 Електрическо взаимодействие. 2-ри. Edition. 213-215.
3. Laboratori d'Electricitat i Magnetisme (UPC). Относителна пермичност на материал. Възстановено от: elaula.es.
4. Монж, М. Диелектрици. Електростатично поле. Университет Карлос III от Мадрид. Възстановени от: ocw.uc3m.es.
5. Сиърс, Земански. 2016. Университетска физика със съвременна физика. 14 ^-та. Изд. 797-806.